Как рассчитать тороидальный трансформатор: elektrosat - Расчёт тороидального трансформатора онлайн

Как рассчитать тороидальный трансформатор: elektrosat – Расчёт тороидального трансформатора онлайн

alexxlab | 24.04.1986 | 0 | Разное

Содержание

принцип работы, сечение сердечника, преимущества эксплуатации

По сравнению с обычными конструкциями тороидальные трансформаторы имеют ряд существенных преимуществ. При незначительных размерах и массе, они обладают значительно большим коэффициентом полезного действия. Поэтому данные устройства нашли широкое применение в сварочных аппаратах и стабилизаторах напряжения. Большое значение имеет правильный расчет тороидального трансформатора. Существуют различные способы расчетов, позволяющие получить результаты с разной степенью точности. Чаще всего для расчетов используются таблицы.

Краткое описание

Современные производители занимаются промышленным изготовлением нескольких разновидностей магнитопроводов для трансформаторов — броневого, стержневого, тороидального. Если сравнивать их эксплуатационные характеристики и сферы использования, то более эффективным можно считать последний вариант. Всё дело в том, что такое устройство обладает исключительно положительными параметрами, благодаря чему активно применяется в современной промышленности.

Высокая производительность и длительный эксплуатационный срок повлияли на то, что сейчас тороидальный трансформатор является базовым элементом в осветительной технике, стабилизаторах напряжения, источниках бесперебойного питания, радиотехнике, а также медицинском и диагностическом оборудовании.

Сами производители утверждают, что такой агрегат представлен в виде однофазной установки, которая может как понижать, так и повышать мощность. Для качественной эксплуатации трансформатор оборудован мощным сердечником с двумя и более обмотками. Но принцип его эксплуатации ничем не отличается от тех моделей, которые оснащены броневой или стержневой намоткой.

В независимости от эксплуатационных характеристик, трансформатор — это устройство, главная задача которого основана на преобразовании электроэнергии из одной величины в другую. Однако даже самые минимальные изменения в конструктивном исполнении могут существенно изменить итоговые размеры и вес электрической установки. Благодаря этому, технико-экономические параметры будут только возрастать.

Основные преимущества

У такого трансформатора магнитопровод имеет форму тороида, иными словами — все кольца отличаются прямоугольным сечением. Уникальные эксплуатационные характеристики высоко ценятся как в бытовых, так и промышленных сферах. Помимо этого, тороидальный агрегат имеет ряд дополнительных преимуществ в отличие от стандартных стержневых и бронированных моделей:

У мастеров появилась отличная возможность использовать для сердечника сталь с повышенной магнитной проницаемостью (Э-370, 340).
Известно, что итоговый поток рассеяния в идеальной тороидальной катушке должен быть равен нулю. В таком трансформаторе этот показатель имеет некоторую конечную величину. Но такие потоки рассеяния не такие уж и большие, как у обычных моделей, поэтому внешние магнитные поля не влияют на слаженную работу трансформатора.
В сердечнике полностью отсутствуют зазоры и стыки.
Мастер может смело использовать структурные свойства сердечника, так как в тороидальном агрегате направление магнитного поля полностью совпадает с прокатом ленты.

Все вышеперечисленные преимущества позволяют добиться высоких экономических и электрических показателей. За счёт этого существенно возрастает производительность оборудования:

Существенно уменьшается общее количество витков, которые используются для получения величины индуктивной первичной обмотки. Такой эффект достигается благодаря использованию сталей с высокой магнитной проницаемостью. В отдельных конструкциях мастерам удалось снизить итоговый расход меди на 25%.
Полное отсутствие зазоров и наличие высоколегированной стали является причиной того, что в сердечнике трансформатора достигается более высокая индукция. Это функциональное преимущество совершенно не влияет на коэффициент нелинейных искажений. В результате мастеру удаётся повысить Bmax в два раза, что считается невозможным в броневых трансформаторах. В итоге снижается итоговый вес и объём рабочего сердечника.
Равномерная частотная характеристика каскад достигается за счёт небольшой величины индуктивности рассеяния. Наличие минимальных искажений по вине переходных процессов позволяет использовать довольно глубокую обратную связь отрицательного типа.

В связи с тем, что тороидальный трансформатор обладает небольшим магнитным полем, даже самый тесный монтаж не влияет на взаимодействие с другими элементами конструкции.

Тороидальный трансформатор и его расчет

Для того чтобы значительно облегчить расчет тороидального трансформатора вам необходимо знать следующие данные:

Выходное напряжение, которое будет подаваться на первичную обмотку U.
Диаметр сердечника внешний D.
Внутренний диаметр сердечника d.
Магнитопровод

Площадь поперечного сечения S будет определять мощность трансформатора. Оптимальным значением на сегодняшний день считается 45-50 см. Рассчитать это значение достаточно просто и сделать это можно с помощью формулы:

Sc = H * (D – d)/2.

Наиболее важной характеристикой сердечника считается площадь его окна S. Этот параметр будет определять интенсивность отвода избытков тепла. Оптимальное значение этого параметра может составлять 80-100 см. Вычисляется он по формуле:

S0 = π * d2 / 4.

Благодаря этим значениям вы легко рассчитаете его мощность по формуле:

P = 1,9 * Sc * S0, где Sc и S0 необходимо брать в квадратных сантиметрах, а P получится в ваттах. Затем вам потребуется найти число витков на один вольт:

k = 50 / Sc.

Когда значение k вам станет известным, то можно будет рассчитать количество витков во вторичной обмотке:

w2 = U2 * k.

Производить расчеты лучше, если в качестве исходного значения использовать напряжение на вторичной обмотке:

W1 = (U1 * w2) / U2, где U1 – это напряжение, которое подводят к первичной обмотке, а U2 снимаемое со вторичной.

Сварочный ток проще всего регулировать с помощью изменения числа витков в первичной обмотке, так как здесь существует меньшое напряжение.

Самостоятельное изготовление агрегата

Прежде чем приступить к созданию такого агрегата, необходимо подготовить все необходимые инструменты и материалы. Для изготовления более качественной модели может понадобиться даже швейная машинка, прочная игла и обычные спички, но такие детали можно найти практически в каждом доме.

Основным расходным материалом является железо, из него изготавливаются базовые части трансформатора. Для работы понадобится качественная сталь, которая должна быть в форме тора. Не стоит забывать и о хорошем проводе в лаковой изоляции. Надёжная фиксация не может обойтись без клея ПВА и малярного скотча.

Отдельно стоит учесть, что качественная работа обмоток зависит от изоленты на тканевой основе. А также стоит приобрести высококачественный провод в резиновой или силиконовой изоляции. Этот элемент понадобится для надёжного соединения всех концов обмотки.

Подготовка трансформаторной стали

Начинающим мастерам может показаться, что достать базовый элемент конструкции крайне сложно, но на практике всё обстоит совершенно иначе. Дело в том, что даже обычные пункты приёма металла часто располагают неработоспособными стабилизаторами напряжения. В советский период они были очень распространены, так как использовались в чёрно-белых телевизорах, что продлевало работоспособность кинескопов.

Исправность такого устройства совершенно не имеет значения, так как особой ценностью обладают только тороидальные трансформаторы, которые расположены во внутреннем отсеке стабилизатора. Именно эта часть используется мастерами в качестве основы всей конструкции.

На пути к изъятию трансформаторов всегда лежит обмотка, изготовленная из алюминиевого провода. Не стоит забывать о том, что сердечник тоже нуждается в подготовительных работах. Мастер должен максимально округлить острые края этой детали, так как в процессе намотки может повредиться лаковая изоляция. Поверх трансформаторной стали обязательно укладывается изолента на тканевой основе. В этом случае нужен всего один изоляционный слой.

Правила обмотки

Прежде чем приступить к этому виду работы, нужно сделать расчёт тороидального трансформатора по сечению сердечника. Конечно, мастер может использовать специальные онлайн-калькуляторы, которых на просторах интернета существует очень много. Но можно выбрать более простой вариант, где для всех вычислений нужно подготовить только линейку и калькулятор.

Конечно, он может иметь некоторые погрешности, так как расчёт не подразумевает соблюдения всех тех факторов, которые встречаются в природе. Главное, придерживаться правила о том, что итоговая мощность во вторичной катушке не должна превышать аналогичных показателей в первой обмотке.

Когда мастер дошёл до этого этапа и нужно сделать намотку тороидального агрегата, ему стоит быть крайне внимательным, так как этот процесс довольно трудоёмкий. Отличным считается тот вариант, когда есть возможность самостоятельно разобрать магнитопровод, а уже после намотки собрать его.

В противном случае можно прибегнуть к помощи обычного веретена, на которое нужно аккуратно намотать определённое количество заранее подготовленного провода. Только после этого веретено можно пропустить необходимое количество раз сквозь тор, равномерно укладывая витки обмоток. Конечно, на реализацию такой идеи уйдёт достаточно много времени, но результат того стоит.

Стоит отметить, что в стандартных ситуациях мастера проводят дополнительную изоляцию тороидального сердечника от обмоток (даже в том случае, если используется лакированная проволока). Особой популярностью пользуется высококачественный электротехнический картон, который соответствует всем стандартам ГОСТ 2824 . Толщина этого материала находится в пределах 0,8 мм.

Во время работы мастера придерживаются следующей схемы:

Картон аккуратно наматывается на сердечник с небольшим захватом предыдущего витка. Конец материала обязательно фиксируется киперной лентой либо клеем ПВА.
Все торцы сердечника должны быть защищены картонными шайбами с небольшими надрезами от 10 до 20 мм, длина шага — 35 мм. Как наружная, так и внутренняя грань обязательно закрывается небольшими полосами. Стоит отметить, что технологические шайбы фиксируются на финишном этапе, а все прорезиненные зубцы загибаются. Поверх всей конструкции наматывается киперная лента.
Если надрезы были сделаны на самых полосах, тогда должен присутствовать небольшой запас, чтобы добиться большей высоты торца. Все кольца должны быть прикреплены строго по ширине, накладываются они поверх загибов.
В редких случаях кольца могут быть изготовлены из специальной электротехнической фанеры, толстого текстолита. Уязвимую внутреннюю и внешнюю грань защищают картонными полосами с небольшими загибами по краям. Между первыми витками обмотки и сердечником должен присутствовать небольшой воздушный зазор. Такой подход особенно важен в тех случаях, когда края под проволокой протрутся. Так уязвимая токонесущая часть никогда не коснётся тороидального сердечника. На верхний слой обязательно наматывается киперная лента. В некоторых случаях мастера предпочитают сглаживать внешнее ребро колец, за счёт чего намотка углов идёт плавно.

Если трансформатор обладает повышенной мощностью, тогда медный провод должен быть прямоугольного сечения. Такой подход позволяет сэкономить свободное пространство. Жила обязательно должна быть толстой, чтобы она не плавилась во время того, как по ней проходит большое напряжение.

Тонкости расчётных манипуляций

Чаще всего первичная обмотка питается от обычной сети переменного напряжения в 220 В. Если мастеру нужно две вторичные обмотки, чтобы каждая выдавала минимум по 12 В, то площадь сечения должна составлять минимум 0,23 кв. мм. Но этих данных мало, чтобы правильно рассчитать тороидальный трансформатор.

Мастеру нужно разделить 220 В на определённую сумму напряжений вторичной цепи. Так можно получить коэффициент 3,9, который будет обозначать, что сечение провода для вторичной обмотки должно быть аналогичным с этим показателем. А вот для того, чтобы определить количество витков, нужно прибегнуть к достаточно простой формуле: напряжение 220 В умножить на коэффициент 40, а полученную цифру следует разделить на площадь поперечного сечения магнитопровода.

Отдельно стоит учесть, что от правильности проведённых расчётов зависит уровень КПД тороидального трансформатора и его эксплуатационный срок. Именно поэтому лучше несколько раз всё перепроверить, дабы не допустить самых распространённых ошибок.

Определение основных параметров

Перед началом расчетов необходимо определиться с основными параметрами трансформатора. В первую очередь это касается типа проводов и количества витков, от которых зависит общая длина проводника. Далее нужно сделать правильный выбор сечения, влияющего на показатели выходного тока и мощность устройства.

Следует учитывать и тот фактор, что при небольшом количестве витков, первичная обмотка будет нагреваться. Точно такая же ситуация возникает, когда мощность потребителей, включаемых во вторичную обмотку, превышает мощность, отдаваемую трансформатором. В результате перегрева снижается надежность устройства, иногда может произойти воспламенение трансформатора.

В качестве примера приводится таблица, с помощью которой можно рассчитать тороидальный трансформатор, работающий при частоте сети 50 Гц.

Сердечники устройств могут быть изготовлены из холоднокатаной стали марок Э310-330, толщиной от 0,35 до 0,5 мм. Может применяться и обычная сталь, марок Э340-360, где толщина ленты будет в пределах от 0,05 до 0,1 мм.

Условные обозначения в таблице соответствуют:

Pг – габаритная мощность трансформатора;
ω1 – количество витков на 1 вольт для стали Э310, Э320, Э330;
ω2 – количество витков на 1 вольт для стали Э340, Э350, Э360;
S – сечение сердечника;
∆ – значение допустимой плотности тока в обмотках;
ŋ – КПД трансформатора.

Описание вводимых и расчётных полей программы:

Sст ф — площадь поперечного сечения магнитопровода. Рассчитывается по формуле: Sст = h * (D – d)/2.

Sок ф – фактическая площадь окна в имеющемся магнитопроводе. Рассчитывается по формуле: Sок = π * d 2 / 4.

Зная эти значения, можно рассчитать ориентировочную мощность трансформатора: Pc max = Bmax *J * Кок * Кст * Sст * Sок / 0.901

J — Плотность тока, см. табл:

Конструкция магнитопровода	Плотность тока J, [а/мм кв. ] при Рвых, [Вт]
Конструкция магнитопровода	2-15	15-50	50-150	150-300	300-1000
Кольцевая	5-4,5		4,5-3,5	3,5	3,0

Вмах — магнитная индукция, см. табл:

Конструкция магнитопровода	Магнитная индукция Вмах, [Тл] при Рвых, [Вт]
Конструкция магнитопровода	5-15	15-50	50-150	150-300	300-1000
Тор	1,7	1,7	1,7	1,65	1,6

Кок — коэффициент заполнения окна, см. табл:

Конструкция магнитопровода	Коэффициент заполнения окна Кок при Рвых, [Вт]
Конструкция магнитопровода	5-15	15-50	50-150	150-300	300-1000
Тор	0,18-0,20		0,20-0,26	0,26-0,27	0,27-0,28

Кст — коэффициент заполнения магнитопровода сталью, см. табл.

Конструкция магнитопровода	Коэффициент заполнения Кст при толщине стали, мм
	0,08	0,1	0,15	0,2	0,35
Тор	0,85		0,88

Здесь можно посмотреть как намотать тороидальный трансформатор. Видео размещено с разрешения автора altevaa TV

Расчет тороидального трансформатора программа

Возникла необходимость в мощном блоке питания. В моём случае имеются два магнитопровода броневой-ленточный и тороидальный. Броневой тип: ШЛ32х50 72х Расчет трансформатора с магнитопроводом типа ШЛ32х50 72х18 показал, что выдать напряжение 36 вольт с силой тока 4 ампера сам сердечник в состоянии, но намотать вторичную обмотку возможно не получится, из-за недостаточной площади окна.

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

Уважаемый Пользователь!

Расчёт тороидальных и других видов трансформаторов

Быстрый расчет тороидального силового трансформатора

Расчет трансформатора онлайн

Способ рассчитать тороидальный трансформатор по сечению

Расчет тороидальных трансформаторов

Простой расчет тороидальных трансформаторов (по таблице)

Уважаемый Пользователь!

OER – программа для расчёта обмоток трансформатора

Как сделать расчет трансформатора. Расчёт и изготовление силового трансформатора

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Программа расчёта all-audio.proов.

<div id="yandex_rtb_5" class="yandex-adaptive classYandexRTB"></div> <script type="text/javascript">if(rtbW>=960){var rtbBlockID="R-A-743954-3";} else{var rtbBlockID="R-A-743954-5";} window.yaContextCb.push(()=>{Ya.Context.AdvManager.render({renderTo:"yandex_rtb_5",blockId:rtbBlockID,pageNumber:5,onError:(data)=>{var g=document.createElement("ins");g.className="adsbygoogle";g.style.display="inline";if(rtbW>=960){g.style.width="580px";g.style.height="400px";g.setAttribute("data-ad-slot","9935184599");}else{g.style.width="300px";g.style.height="600px";g.setAttribute("data-ad-slot","9935184599");} g.setAttribute("data-ad-client","ca-pub-1812626643144578");g.setAttribute("data-alternate-ad-url",stroke2);document.getElementById("yandex_rtb_5").appendChild(g);(adsbygoogle=window.adsbygoogle||[]).push({});}})});window.addEventListener("load",()=>{var ins=document.getElementById("yandex_rtb_5");if(ins.clientHeight =="0"){ins.innerHTML=stroke3;}},true);</script>

Уважаемый Пользователь!

Энергосистема опознала нового радиотехника и приветливо моргнула всем домом. А тем временем традиционные линейные источники питания на силовых трансформаторах всё чаще стали вытесняться своими импульсными коллегами. При этом, что бы там не говорили авторитетные товарищи про многочисленные технические достоинства импульсных преобразователей, плюс у них только один – массогабаритные показатели.

Всё остальное – сплошной минус. Однако этот единственный плюс оказался настолько жирным, что заслонил собой все многочисленные минусы, особенно в тех замесах, когда к электроустройствам не предъявляется каких-либо жёстких требований. Наиболее популярными среди радиолюбителей стали сетевые источники питания, собранные на микросхемах IR и IR, которые представляют из себя самотактируемые высоковольтные драйверы, позволяющие получать полумостовые импульсные блоки питания мощностью до 1,5 кВт с минимальной обвязкой.

И если сердце импульсного блока питания колотится внутри готовой буржуйской микросхемы, то главным, ответственным за электрохозяйство среди остальных наружных образований, безусловно, является правильно выполненный трансформатор. Для наших высокотоковых дел лучше всего применять трансформаторы с тороидальным магнитопроводом.

В сравнении с другими сердечниками они имеют меньший вес и габариты, а также отличаются лучшими условиями охлаждения обмоток и повышенным КПД. Но самое главное – при равномерном распределении обмоток по периметру сердечника практически отсутствует магнитное поле рассеяния, что в большинстве случаев отметает потребность в тщательном экранировании трансформаторов. По сути дела, умных статей в сети на предмет расчёта импульсных трансформаторов великое множество, с картинками, формулами, таблицами и прочими авторитетными причиндалами.

Наблюдаются в свободном доступе и многочисленные онлайн-калькуляторы на интересующую нас тематику. И снизошла б на нас благодать неземная, кабы вся полученная информация сложилась в наших любознательных головах в единое большое целое.

Да вот, что-то не получается. Ништяк обламывается из-за того, что следуя этими различным компетентным источникам, мы устойчиво получаем на выходе и различные результаты.

Вот и гуляют по сети идентичные радиолюбительские схемы импульсных блоков питания на IR с идентичными заявленными характеристиками, трансформаторами на одних и тех же кольцах, но радикально не идентичным количеством витков первичных обмоток трансформаторов. А когда эти различия выражаются многими разами, то возникает желание “что-то подправить в консерватории”.

Объясняется это желание просто – существенной зависимостью КПД устройства от значения индуктивности, на которую нагружены ключевые транзисторы преобразователя. А в качестве этой индуктивности как раз и выступает первичная обмотка импульсного трансформатора.

А для лучшего восприятия сказанного, приведу типовую схему источника питания на IR, не обременённую ни устройством защиты, ни какими-либо другими излишествами.

Ну и наконец, переходим к расчёту импульсного трансформатора. Мотать его будем на бюджетных низкочастотных ферритовых кольцах отечественного производителя НМ или импортных – EPCOS N87, а для начала определимся с габаритной мощностью тороидального ферритового магнитопровода. Расчёты поведём исходя из частоты работы преобразователя IR, равной 50 кГц.

Почему именно такой? Не ниже, потому что такой выбор частоты позволяет нам уложиться в достаточно компактные размеры ферритового сердечника, и при этом гарантирует полное отсутствие сигналов комбинационных частот ниже 30 кГц при работе девайса в составе качественной звуковоспроизводящей аппаратуры.

А не выше, потому что мы пилоты А феррит у нас низкочастотный и может почахнуть и ответить значительным снижением магнитной проницаемости при частотах свыше кГц. Не забываем, что сигнал, на выходах ключей имеет форму меандра и совокупная амплитуда гармоник, с частотами в раз превышающими основную, имеет весьма ощутимую величину. Параметры первичной обмотки трансформатора рассчитаем при помощи программы Lite-CalcIT, позволяющей, на мой взгляд, вполне адекватно оценить как размер сердечника, так и количество витков первичной обмотки.

Результаты сведём в таблицу. Далее на кольцо следует намотать термостойкую изоляционную прокладку Рис. В качестве изоляционного материала можно выбрать лакоткань, стеклолакоткань, киперную ленту, или сантехническую фторопластовую ленту. Обмотка должна быть равномерно распределена по периметру магнитопровода – это важно! Если в закромах радиолюбительского хозяйства не завалялся обмоточный провод необходимого диаметра, то обмотку можно намотать сразу в два, или несколько проводов меньшего диаметра Рис.

Не забываем, что зависимость тока от диаметра квадратичная и если, к примеру, нам надо заменить провод диаметром 1мм, то это будет не два провода по 0,5мм, а четыре или два провода по 0,7мм.

Ну и для завершения первичного процесса поверх первичной обмотки трансформатора наматываем межобмоточную прокладку – пару слоёв лакоткани или другой изолирующей ленты Рис. А вот теперь мы плавно переходим к выполнению второй части упражнения. Да только вот опять – не складываются куличики в пирамидку, потому как далеко не каждый источник информации радует ожидаемым результатом. Это формула верна для случаев, когда мы хотим получить расчётное значение выходного напряжения на холостом ходу. Теперь, что касается диаметра провода вторичной обмотки трансформатора.

И в завершении приведу незамысловатый калькулятор для расчёта параметров вторичной обмотки импульсного трансформатора. Количество вторичных обмоток ограничено только размерами магнитопровода.

При этом суммарная величина снимаемых с обмоток мощностей не должна превышать расчётную мощность трансформатора. При необходимости поиметь двуполярный источник питания, обе обмотки следует мотать одновременно, затем присовокупить начало одной обмотки к концу другой, а уже потом направить это соединение, в зависимости от личных пристрастий – к земле, средней точке, общей шине, корпусу, или совсем на худой конец – к GND-у.

Ну что ж, с трансформатором определились, пора озадачиться полным джентльменским набором настоящего мужчины – плавками с меховым гульфиком, а главное, непосредственно импульсным блоком питания, оснащённым такими значимыми прибамбасами, как устройства мягкого пуска и защиты от токовых перегрузок и КЗ.

Всё это хозяйство подробно опишем на странице Ссылка на страницу. Это нужно знать Весь перечень знаний находится на этой странице. Весь перечень знаний находится на этой странице. Расчёт и изготовление трансформатора для импульсного блока питания на тороидальном кольцевом ферритовом сердечнике. Онлайн калькулятор обмоток. Мощность, снимаемая со вторичной обмотки Вт. Величина выходного постоянного напряжения В. В каком режиме измеряется выходное напряжение. Количество витков первичной обмотки.

Расчёт тороидальных и других видов трансформаторов

Код для вставки без рекламы с прямой ссылкой на сайт. Код для вставки с рекламой без прямой ссылки на сайт. Скопируйте и вставьте этот код на свою страничку в то место, где хотите, чтобы отобразился калькулятор.

Калькулятор справочный портал. Избранные сервисы. Кликните, чтобы добавить в избранные сервисы.

Радиолюбительские расчеты > Упрощенная методика расчета тороидального трансформатора. В настоящее время наиболее распространены.

Быстрый расчет тороидального силового трансформатора

Если у вас есть трасформаторное железо и вам нужно рассчитать количество витков и диаметр провода, то эта программа справится лучше всяких онлайн сервисов. Просто введите необходимые данные, все расчёты программа произведёт самостоятельно. Вам не нужно брать в руки калькулятор и рассчитывать число витков трансформатора по сложным формулам, за вас всё сделает программа в один клик! Скачать программу OER для расчёта обмоток трансформатора. Когда будете наматывать витки на каркас, вставьте внутрь деревянный брусок, это предотвратит его смятие. Самодельный станок для намотки трансформаторных катушек, с укладчиком и счетчиком витков. Сделай трансформатор сам. Максим, на кольцевой сердечник достаточно просто можно мотать с помощью челнока — длинной узкой катушки с проволокой.

Хотя есть более хитроумные и удобные приспособления для намотки тороидального трансформатора. В гугле есть масса полезных ссылок.

Расчет трансформатора онлайн

Данный онлайн расчет трансформатора выполнен по типовым расчетам электрооборудования. В типовых расчётах все начинается с определения необходимой мощности вторичной обмотки, а уж потом с поправкой на КПД – коэффициент полезного действия, находим мощность всего трансформатора, и на основании этого рассчитываем необходимое сечение и тип сердечника и так далее. Изначально так и было в моём расчете. Пока не появились предложения от посетителей сайта внести изменения в расчет.

Войти на сайт Логин:. Сделать стартовой Добавить в закладки.

Способ рассчитать тороидальный трансформатор по сечению

Программный онлайн расчет, позволит налету экспериментировать с параметрами и сократить время на разработку. Также можно рассчитать и по формулам, они приведены ниже. Описание вводимых и расчётных полей программы: поле светло-голубого цвета — исходные данные для расчёта, поле жёлтого цвета — данные выбранные автоматически из таблиц, в случае установки флажка для корректировки этих значений, поле меняет цвет на светло-голубой и позволяет вводить собственные значения, поле зелёного цвета — рассчитанное значение. Войти через uID. Войти через uID Старая форма входа.

Расчет тороидальных трансформаторов

Перед конструкторами радиоэлектронной аппаратуры често ставится задача создания таких устройств, которые отличались бы небольшими размерами и минимальным весом. Практика показала, что лучше всего применить 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. В связи с тем, что полный расчет силовых трансформаторов на тороидальных сердечниках слишком громоздок и сложен, приводам таблицу, с помощью которой радиолюбителю будет легче произвести расчет тороидального трансформатора мощностью до ВА. 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 Э, Э, Э с толщиной ленты 0,35—0,5 мм и стали , Э, Э с толщиной ленты 0,05—0,1 мм при частоте питающей сети 50 Гц. Высокое качество выпускаемой продукции.

Как расчитать тороидальный трансформатор. Раздел: Простой расчет тороидальных трансформаторов. Как расчитать . Делаем сами. Программа Coil32_v для расчета индуктивностей и контуров.

Простой расчет тороидальных трансформаторов (по таблице)

Войти на сайт Логин:. Сделать стартовой Добавить в закладки. Мы рады приветствовать Вас на нашем сайте! Мы уверены, что у нас Вы найдете много полезной информации для себя, читайте, скачивайте, все абсолютно бесплатно и без паролей.

Уважаемый Пользователь!

ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Расчет тороидального трансформатора

Расчет тороидального трансформатора. Программный он-лайн расчет трансформатора, позволит налету экспериментировать с параметрами и сократить время на разработку. Также можно рассчитать и по формулам, они приведены ниже. Описание вводимых и расчётных полей программы. Габариты Тема: Расчет силового тороидального трансформатора.

Нужны еще сервисы? Архив Каталог тем Добавить статью.

OER – программа для расчёта обмоток трансформатора

То есть это даже не фигура, а замкнутая поверхность, имеющая одну общую для любой размещенной на ней точки сторону. Но, если не вдаваться в дебри терминологии, тор — это бублик, или окружность, вращающаяся вокруг некой не пересекающей ее оси, с которой располагается в одной плоскости. Именно в форме такого бублика может быть выполнен трансформатор-тороид. Основная его характеристика — высокий КПД при небольших, в сравнении с другими типами сердечников, размерах. Что и является основополагающим критерием для предпочтения данной формы самодельных трансформаторов. Основное отличие тороидального трансформатора от прочих — прокладка только межобмоточной изоляции наряду с внешней.

Как сделать расчет трансформатора. Расчёт и изготовление силового трансформатора

Расчет импульсного трансформатора для двухтактного преобразователя и согласующих устройств / Хабр

В правильно сконструированном двухтактном преобразователе постоянный ток через обмотку и подмагничивание сердечника отсутствуют. Это позволяет использовать полный цикл перемагничивания и получить максимальную мощность. Поскольку трансформатор имеет много взаимозависимых параметров, расчет ведут по шагам, уточняя при необходимости исходные данные.

1. Как определить число витков и мощность?

Габаритная мощность, полученная из условия не перегрева обмотки, равна [1]:

Pгаб = So ⋅ Sc ⋅ f ⋅ Bm / 150 (1)

Где: Pгаб – мощность, Вт;
Sc – площадь поперечного сечения магнитопровода, см² ;
So – площадь окна сердечника, см²;
f – частота колебаний, Гц;
Bm = 0,25 Тл – допустимое значение индукции для отечественных никель-марганцевых ферритов на частотах до 100 кГц.

Максимальную мощность трансформатора выбираем 80% от габаритной:

Pmax = 0,8 ⋅ Pгаб (2)

Минимальное число витков первичной обмотки n1 определяется максимальным напряжением на обмотке Um и допустимой индукцией сердечника Bm:

n1 = ( 0,25 ⋅ 10⁴ ⋅ Um ) / ( f ⋅ Bm ⋅ Sc ) (3)

Размерности единиц здесь те же, что и в формуле (1).

Плотность тока в обмотке j для трансформаторов мощностью до 300 Вт принимаем 3..5 А/мм² (большей мощности соответствует меньшее значение). Диаметр провода в мм рассчитываем по формуле:

d = 1,13 ⋅ ( I / j )^1/2 (4)

Где I – эффективный ток обмотки в А.

Пример 1:

Для ультразвуковой установки нужен повышающий трансформатор мощностью 30..40 Вт. Напряжение на первичной обмотке синусоидальное, с эффективным значением Uэфф = 100 В и частотой 30 кГц.

Выберем ферритовое кольцо К28x16x9.

Площадь его сечения: Sc = ( D – d ) ⋅ h / 2 = ( 2,8 – 1,6 ) ⋅ 0,9 / 2 = 0,54 см²Площадь окна: So = π ⋅ ( d / 2 )² = π⋅ ( 1,6 / 2 )² = 2 см²Габаритная мощность: Pгаб = 0,54 ⋅ 2 ⋅ 30 ⋅ 10³ ⋅ 0,25 / 150 = 54 Вт
Максимальная мощность: Pmax = 0,8 ⋅ 54 = 43,2 Вт
Максимальное напряжение на обмотке: Um = 1,41 ⋅ 100 = 141 В
Число витков: n1 = 0,25 ⋅10⁴ ⋅ 141 / ( 30 ⋅ 10³ ⋅ 0,25 ⋅ 0,54 ) = 87
Число витков на вольт: n0 = 87 / 100 = 0,87
Эффективное значение тока первичной обмотки: I = P / U = 40 / 100 = 0,4 A
Плотность тока выберем 5 А/мм².
Тогда диаметр провода по меди: d = 1,13 ⋅ ( 0,4 / 5 )^1/2 = 0,31 мм

2. Как уточнить плотность тока?

Если мы делаем маломощный трансформатор, то можем поиграть с плотностью тока и выбрать более тонкие провода, не опасаясь их перегрева. В книге Эраносяна [2, Стр.109] дана такая табличка:

Pн, Вт	1 .. 7	8 .. 15	16 .. 40	41 .. 100	101 .. 200
j, А/мм²	7 .. 12	6 .. 8	5 .. 6	4 .. 5	4 .. 4,5

Почему плотность тока зависит от мощности трансформатора?

Выделяемое количество теплоты равно произведению удельных потерь на объем провода. Рассеиваемое количество теплоты пропорционально площади обмотки и перепаду температур между ней и средой. С увеличением размера трансформатора объем растет быстрее площади и для одинакового перегрева удельные потери и плотность тока надо уменьшать. Для трансформаторов мощностью 4..5 кВА плотность тока не превышает 1..2 А/мм² [3].

3. Как уточнить число витков первичной обмотки?

Зная число витков первичной обмотки n вычислим ее индуктивность. Для тороида она определяется по формуле:

L = μ0 ⋅ μ ⋅ Sс ⋅ n² / la (5)

Где:
Площадь Sс дана в м²;
средняя длина магнитной линии la в м;
индуктивность в Гн;
μ0 = 4π ⋅ 10^-7 Гн/м – магнитная постоянная.

В инженерном виде эта формула выглядит так:

L = A_L n² (5А) , n = ( L / A_L )^1/2 (5Б)

Коэффициент A_L и параметр мощности Sо ⋅ Sc для некоторых типов колец приведены в Таблице 2 [4,5,6]:

Кольцо	К7х4х2	К10х6х3	К10х6х4,5	К16х10х4,5	К20х12х6	К32х20х6	К38х24х7	К40х25х11
A_L , нГн/вит² ± 25%	224	310	460	430	620	570	650	1050
Sо ⋅ Sc , см⁴	0,004	0,017	0,025	0,106	0,271	1,131	2,217	4,050

Для работы трансформатора в качестве согласующего устройства должно выполняться условие:

L > ( 4 . . 10 ) ⋅ R / ( 2 ⋅ π ⋅ fmin ) (6)

Где L – индуктивность в Гн;
R = U²эфф / Pн приведенное к первичной обмотке сопротивление нагрузки Ом;
fmin – минимальная частота, Гц.

В ключевых преобразователях в первичной обмотке трансформатора текут два тока: прямоугольный ток нагрузки Iпр = Um / R и треугольный ток намагничивания обмотки I_T:

Для нормальной работы преобразователя величина треугольной составляющей не должна превышать 10% от прямоугольной, т.е индуктивность обмотки должна удовлетворять неравенству:

L > 5 R / f (7)

При необходимости число витков увеличивают или применяют феррит с большей μ. Чрезмерно завышать число витков в обмотке не желательно. Из-за роста межвитковой емкости на рабочей частоте могут возникнуть резонансные колебания.

Выбранный феррит должен иметь достаточную максимальную индукцию и малые потери в рабочей полосе частот. Как правило, на низких частотах (до 1 МГц) применяют феррит с μ = 1000 .. 6000 , а на радиочастотах приходиться использовать материалы с μ = 50 .. 400.

Пример 2:

Трансформатор из Примера 1 намотан на кольце К28х16х9 из никель-марганцевого феррита 2000НМ с магнитной проницаемостью μ = 2000.
Мощность нагрузки P = 40 Вт , эффективное напряжение первичной обмотки Uэфф = 100 В , частота f = 30 кГц. Уточним число его витков.

Приведенное сопротивление нагрузки: R = 100² / 40 = 250 Ом
Площадь поперечного сечения магнитопровода: Sc = 0,54 см² = 0,54 ⋅ 10 ^-4 м²Средняя длина магнитной линии: la = π ( D +d ) / 2 = π ( 2,8 + 1,6 ) ⋅ 10 ^-2 / 2 = 6,9 ⋅ 10 ^-2 м
Коэффициент индуктивности: A_L = 4π ⋅ 10^-7 ⋅ 2000 ⋅ 0,54 ⋅ 10 ^-4 / 6,9⋅10^-2 = 1966 нГн / вит²

Минимальная индуктивность первичной обмотки по формуле (6):
L = 10 ⋅ 250 / ( 2π ⋅ 3 ⋅ 10⁴ ) = 13,3 мГн
Число витков: n = (13,3 ⋅ 10 ^-3 / 1,963 ⋅ 10 ^-6 ) ^1/2 = 82

Оно даже меньше, чем рассчитанное ранее в Примере 1 nmin = 87.
Таким образом, условие достаточной индуктивности выполнено и число витков первичной обмотки n = 87.

4. Какие ферриты можно применить и почему?

Как известно, сердечник в трансформаторе выполняет функции концентратора электромагнитной энергии. Чем выше допустимая индукция B и магнитная проницаемость μ , тем больше плотность передаваемой энергии и компактнее трансформатор. Наибольшей магнитной проницаемостью обладают т.н. ферромагнетики — различные соединения железа, никеля и некоторых других металлов.

Магнитное поле описывают две величины: напряженность Н (пропорциональна току обмотки) и магнитная индукция В (характеризует силовое действие поля в материале). Связь В и H называют кривой намагничивания вещества. У ферромагнетиков она имеет интересную особенность — гистерезис (греч. отстающий) — когда мгновенный отклик на воздействие зависит от его предыстории.

После выхода из нулевой точки (этот участок называют основной кривой намагничивания) поля начинают бегать по некой замкнутой кривой (называемой петлей гистерезиса). На кривой отмечают характерные точки — индукцию насыщения Bs, остаточную индукцию Br и коэрцитивную силу Нс.

Рис.1. Магнитные свойства ферритов. Слева форма петли гистерезиса и ее параметры. Справа основная кривая намагничивания феррита 1500НМ3 при различных температурах и частотах: 1 – 20кГц, 2 – 50кГц, 3 – 100 кГц.

По значениям этих величин ферромагнетики условно делят на жесткие и мягкие. Первые имеют широкую, почти прямоугольную петлю гистерезиса и хороши для постоянных магнитов. А материалы с узкой петлей используют в трансформаторах. Дело в том, что в сердечнике трансформатора есть два вида потерь — электрические, и магнитные. Электрические (на возбуждение вихревых токов Фуко) пропорциональны проводимости материала и частоте, а вот магнитные тем меньше, чем меньше площадь петли гистерезиса.

Ферриты это пресс порошки окисей железа или других ферромагнетиков спеченные с керамическим связующим. Такая смесь сочетает два противоположных свойства — высокую магнитную проницаемость железа и плохую проводимость окислов. Это минимизирует как электрические, так и магнитные потери и позволяет делать трансформаторы, работающие на высоких частотах. Частотные свойства ферритов характеризует критическая частота fc , при которой тангенс потерь достигает 0,1. Тепловые — температура Кюри Тс , при которой μ скачком уменьшается до 1.

Отечественные ферриты маркируются цифрами, указывающими начальную магнитную проницаемость, и буквами, обозначающими диапазон частот и вид материала.

Наиболее распространен низкочастотный никель-цинковый феррит, обозначаемый буквами НН. Имеет низкую проводимость и сравнительно высокую частоту fc. Но у него большие магнитные потери и невысокая температура Кюри.

Никель-марганцевый феррит имеет обозначение НМ. Проводимость его больше, поэтому fc низкая. Зато малы магнитные потери, температура Кюри выше, он меньше боится механических ударов.

Иногда в маркировке ферритов ставят дополнительную цифру 1, 2 или 3. Обычно, чем она выше, тем более температурно стабилен феррит.

Какие марки ферритов нам наиболее интересны?

Для преобразовательной техники хорош термостабильный феррит 1500НМ3 с fc=1,5 МГц, Bs=0,35..0,4 Тл и Tc=200 ℃.

Для спец применений выпускают феррит 2000НМ3 с нормируемой дезакаммодацией (временной стабильностью магнитной проницаемости). У него fc=0,5 МГц, Bs=0,35..0,4 Тл и Tc=200 ℃.

Для мощных и компактных трансформаторов разработаны ферриты серии НМС. Например 2500НМС1 с Bs=0,45 Тл и 2500НМС2 c Bs=0,47 Тл. Их критическая частота fc=0,4 МГц, а температура Кюри Tc>200 ℃.

Что касается допустимой индукции Bm, этот параметр подгоночный и в литературе не нормируется. Ориентировочно можно считать Bm = 0,75 Вsmin. Для никель-марганцевых ферритов это дает примерно 0,25 Тл. С учетом падения Bs при повышенных температурах и за счет старения в ответственных случаях лучше подстраховаться и снизить Bm до 0,2 Тл.

Основные параметры распространенных ферритов сведены в Таблицу 3:

Марка	100НН	400НН	600НН	1000 НН	2000 НН	2000 НМ	1000 НМ3	1500 НМ1	1500 НМ3
μнач	80. .120	350.. 500	500.. 800	800.. 1200	1800.. 2400	1700.. 2500	800.. 1200	1200.. 1800	1200.. 1800
fc, МГц	7	3,5	1,5	0,4	0,1	0,5	1,8	0,7	1,5
Tc, ℃	120	110	110	110	70	200	200	200	200
Bs, Тл	0,44	0,25	0,31	0,27	0,25	0,38.. 0,4	0,33	0,35.. 0,4	0,35.. 0,4

5. Насколько нагреется сердечник?

Потери в магнетике.

При частоте менее критической fс потери энергии в магнетике складываются в основном из потерь на перемагничивание, а вихретоковыми можно пренебречь.

Опыт и теория показывают, что потери энергии в единице объема (или массы) на одном цикле перемагничивания прямо пропорциональны площади петли гистерезиса. Следовательно мощность магнитных потерь:

P_H = P₀ ⋅ V ⋅ f (8)

Где:
P₀ – удельные потери в единице объема (измеренные на частоте f₀ при индукции B₀ ) ;
V – объем образца.

Таблица 4. Удельные объемные потери в ферритах 2500НМС при f₀ =16 кГц ; B₀=0,2 Тл:

T , ^oC	P₀ , мкВт / ( см ³ ⋅ Гц )
T , ^oC	2500НМС1	2500НМС2
25	10,5	8,5
100	8,7	6

Однако, с ростом частоты индукция насыщения уменьшается, петля гистерезиса деформируется, а потери растут. Для учета этих факторов Штейнмец (C. P. Steinmetz, 1890-1892) предложил эмпирическую формулу:

PH = P1 ⋅ m ⋅ ( f / f1 ) ^α ( B / B1) ^β (9)

Условились [7, Стр.54], что f1 = 1 кГц, B1 = 1 Тл.
Величины P1, α, β и массу сердечника m указывают в справочнике.

Таблица 5. Удельные потери в некоторых ферритах

Марка	1500НМ3	2000НМ1-А,Б		2000НМ3	2000НМ-17		3000 НМ-А	6000НМ-1
f	–	0,4..100 кГц	0,1..1 МГц	–	0,4..100 кГц	0,1..1 МГц	0,4..200 кГц	20..50 кГц	50..100 кГц
P1, Вт / кг	23,2	32±7	13±3	44,6	63±10	25±4	48±8	11±2	38±0,8
α	1,2	1,2	1,4	1,3	1,2	1,4	1,2	1,35	1,6
β	2,2	2,4		2,7	2,85		2,76	2,69	2,6

Потери в меди.

Омические потери в первичной обмотке при комнатной температуре и без учета скин-эффекта:

P_M1 = I² эфф ( ρ / Sm ) ( ( D – d ) + 2h ) ⋅ n1 (10)

Где:
Iэфф – эффективный ток,
D – внешний, d – внутренний диаметр кольца, h – его высота в метрах;
n1 – число витков; Sm – поперечное сечение провода, в мм² ;
ρ = 0,018 Ом ⋅ мм² / м – удельное сопротивление меди.

Суммарные потери во всех обмотках при повышенной температуре окружающей среды:

P_M = ( P_M1 + P_M2 + .. )⋅ ( 1 + 0,004⋅ ( T – 25^oC ) ) (11)

Общие потери в трансформаторе.

Потери в магнетике и меди:

P_Σ = P_H + P_M (12)

Предполагаемая температура перегрева при естественной конвекции:

ΔT = P_Σ / ( α_m Sохл ) (13)

Где α_m = (10. .15) ^-4 Вт/(см²^oС) , Sохл = π /2 ( D2 – d2 ) + π h ( D + d )

Пример 3:

Найдем потери в трансформаторе из Примеров 1 и 2. Для простоты считаем, что вторичная и первичная обмотка одинаковые.

Эффективный ток первичной обмотки Iэфф = 0,4 А.

Потери в меди первичной обмотки:
P_M1 = 0,42 ⋅ ( 0,018 / 0,08 ) ⋅ ( 28 – 16 + 18 ) ⋅ 10 ^-3 ⋅ 87 ≈ 0,1 Вт.

Потери в меди обеих обмоток: P_M = 0,2 Вт.

Согласно справочным данным для феррита 2000НМ P1 = 32 Вт / кг ; α = 1,2 ; β = 2,4 ; масса сердечника К28х16х9 равна 20 грамм.

Потери в феррите: P_H = 32 ⋅ ( 30 / 1 ) ⋅ 1,2 ⋅ ( 0,25 / 1 ) ⋅ 2,4 ⋅ 20 ⋅ 10 ^-3= 1,36 Вт

Суммарные потери в трансформаторе: P_Σ = 1,56 Вт.

Ориентировочный КПД = ( 40 – 1,56 ) / 40 ⋅ 100% ≈ 96%

6. Как учесть инерционные свойства трансформатора?

На Рис.2. показана T-схема замещения трансформатора. В нее входят сопротивление источника r_i , приведенное сопротивление нагрузки R = n² Rн или R = Pн / U²эфф , где n = U1 / U2 – коэффициент трансформации, Uэфф – эффективное напряжение первичной обмотки.

Рис.2. Эквивалентная схема трансформатора.

Инерционные свойства трансформатора определяют малые индуктивности рассеяния Ls, индуктивность намагничивания Lμ (почти равна индуктивности первичной обмотки L1), параллельная емкость обмотки Сp (т.н. динамическая емкость) и последовательная емкость между обмотками Сп.

Как оценить индуктивности и емкости?

L1 рассчитывают по формуле (5) или измеряют экспериментально.
Согласно [8] индуктивность рассеивания по порядку величины равна Ls ~ L1 / μ.
Емкость Ср составляет примерно 1 пФ на виток.

Трансформатор работает подобно полосовому фильтру. На малых частотах он представляет собой ФВЧ с частотой среза ωн = R / Lμ.
На высоких частотах элементы Ls и Cp образуют ФНЧ с частотой среза ωв ≈ ( Ls Cp )^-1/2Последовательная емкость Сп невелика и на работу практически не влияет.

В модели есть два характерных резонанса:

Низкочастотный (резонанс намагничивания) в параллельном контуре Lμ Ср.
Его частота fμ ≈ ( 1/ 2 π ) ⋅ (Lμ Cp )^-1/2 , а добротность
Qμ ≈ ( r_i || R ) ⋅ ( Lμ / Cp)^-1/2 (14)

Высокочастотный (резонанс рассеивания) в контуре, образованном Ls и Cр.
Его частота fs ≈ ( 1/ 2 π ) ⋅ (Ls Cp )^-1/2 , а добротность Qs ≈ ( Ls / Cp)^1/2 / r_i (15)

Как влияют резонансы обмотки?

Амплитудно-частотная характеристика трансформатора похожа на АЧХ полосового фильтра, но на ее верхнем краю резонанс fs дает характерный пик.

Реакция же на импульсы напряжения зависит от способа включения источника и величин сопротивлений схемы.

При малом внутреннем сопротивлении источника r_iпроявляется лишь резонанс fs в виде характерного “звона” на фронтах импульсов.
Если же источник подключается через ключ, то при его размыкании могут возникать интенсивные колебания с частотой fμ.

Рис.3. Пример АЧХ и переходного процесса в трансформаторе. Его эквивалентная схема дана ниже на рисунке 4.

7. Экспериментальное измерение параметров импульсного трансформатора.

Для пробы было взято кольцо из феррита 3000НМ размера К10х6х2. Первичная обмотка составляла 21 виток; вторичная 14; коэффициент трансформации n = 1,5 ; сопротивление нагрузки равнялось 4,7 кОм; источником служил генератор прямоугольных импульсов на TTL микросхемах с уровнем 6В, частотой 1 МГц и внутренним сопротивлением r_i ≈ 200 Ом.

Рассчитаем теоретические параметры:

Sc = 4 ⋅ 10 ^-6 м² , la = 25,13 ⋅ 10 ^-3 м , A_L_теор = 600 нГн / вит² , L1_теор = 0,6 ⋅ 212 = 265 мкГн, Ls _теор ≈ 265/3000 = 0,09 мкГн , Сp_теор ≈ 21+14 = 35 пФ.
Приведенное сопротивление нагрузки R = n² Rн = 2,25 ⋅ 4,7 ~ 10 кОм.

Результаты измерений индуктивностей прибором АКИП-6107:

L1 = 269 мкГн , L2 = 118 мкГн , закоротив вторичную обмотку получим 2Ls = 6,8 мкГн, что на два порядка выше ее теор оценки.

Динамическую емкость Cp можно оценить по формуле (15), подав на трансформатор прямоугольные импульсы и измерив при помощи осциллографа период колебаний “звона” на фронтах импульсов на выходе вторичной обмотки. Частота “звона” fs оказалась 18,5 МГц , что дает Ср ≈ 21 пФ и неплохо согласуется с теор оценкой.

Для сравнения с опытом эквивалентная схема с измеренными параметрами моделировалась в программе LT Spice.

Рис.4. Модель трансформатора. Vout – приведенное напряжение, фактическое будет в n раз меньше.Рис.5. Результаты эксперимента. Масштаб вертикальной шкалы 1 вольт на деление.

Итак, модель, построенная на основе измеренных Lμ , Ls и Cp вполне согласуется с экспериментом.

Теоретическая оценка [8] емкости 1 пФ на виток для малых колец приемлема, но оценка индуктивности рассеяния на два порядка расходится с фактической. Ее проще определять на опыте.

Приложение 1. Вывод формулы для числа витков.

При подаче напряжения U на обмотку в ней возникнет ЭДС индукции E:
U = -E = n Sc dB / dt

Для синусоидального напряжения с амплитудой Um:
Um = n Sc ω Bm
Откуда число витков: n = Um / ( Sc ω Bm )

Выразив круговую частоту через обычную, а площадь в см² получим инженерную формулу:

n = 0,16 ⋅ 10⁴ / ( f ⋅ Bm⋅ Sc )

Для прямоугольного напряжения величиной Um приращение индукции:
dB = dt Um / ( n Sc )
Интегрируя ее по времени от 0 до T/2 и учитывая, что за половину периода поле изменится от -Bm до +Bm получим: 2Bm = ( T / 2) Um / ( n Sc )

Выразив период через частоту, а площадь в см² получим инженерную формулу:

n = 0,25 ⋅10⁴ / ( f ⋅ Bm ⋅ Sc )

Она пригодна для обоих случаев.

Приложение 2. Вывод формулы для габаритной мощности трансформатора.

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея связь напряжения на катушке с изменением магнитной индукции в ней:

U dt = n Sc dB

За время от 0 до T/2 индукция изменится от -Bm до +Bm. Интегрируя в этих пределах получим среднее напряжение:

Uср = 4n ⋅ Sc ⋅ Bm ⋅ f

Где:

Но приборы измеряют не среднее, а действующее напряжение, которое эквивалентно постоянному по энергии. Связь среднего и действующего напряжения дает коэффициент формы кф = Uэфф / Uср . Для меандра он равен 1, для синуса 1,11.

Отсюда эффективное напряжение на катушке:
Uэфф = 4 ⋅ кф ⋅ n ⋅ Sc ⋅ Bm ⋅ f

Габаритную мощность оценим из следующих соображений. Частота f не велика, потери на вихревые токи и перемагничивания малы и мощность ограничена лишь перегревом обмотки. Его определяет максимальная плотность тока j , одинаковая для обоих обмоток.

Определим габаритную мощность как полусумму мощностей первичной и вторичной обмоток.

Pгаб = ( P1+P2 ) / 2 = ( U_эфф1⋅ I1 + U_эфф2 ⋅ I2 ) / 2 = j ( S1 n1 + S2 n2 ) 4 кф Sc Bm f / 2

Где S1 и S2 площади витка первичной и вторичной обмоток.

Это соотношение можно записать через площадь меди Sm:

Pгаб = 2⋅ кф ⋅ f ⋅ Sc ⋅ Sm ⋅ Bm ⋅ j

Площадь меди связывают с коэффициентом заполнения окна σ = Sm / Sо.

Сигма это некий эмпирический коэффициент, равен минимум 0,15 для однослойной обмотки и максимум 0,4 для многослойной (больше не поместится).

В итоге наша формула имеет вид:

Pгаб = 2 ⋅ кф ⋅ σ⋅ f ⋅ Sc⋅ Sо ⋅ Bm ⋅ j

Все величины здесь в СИ.

Допустим, что напряжение имеет форму меандра, кф = 1. Выбирая плотность тока j = 2,2 А / мм² ; коэффициент заполнения σ = 0,15 ; выразив площади в см² ; Bm в Тл ; частоту в Гц получим расчетную формулу:

Pгаб = Sc ⋅ So ⋅ f ⋅ Bm / 150

Как видно, эта формула выведена с большим запасом, реально можно получить с трансформатора и большую мощность.

Литература.

Косенко С. “Расчёт импульсного трансформатора двухтактного преобразователя” // Радио, №4, 2005, с. 35 – 37, 44.
Эраносян С. А. Сетевые блоки питания с высокочастотными преобразователями. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1991,— 176 с: ил.
С. В. Котенёв, А. Н. Евсеев. Расчет и оптимизация тороидальных трансформаторов и дросселей. – М.: Горячая линия-Телеком, 2013. — 359 с.: ил.
А. Петров “Индуктивности, дроссели, трансформаторы “// Радиолюбитель, №12, 1995, с.10-11.
Михайлова М.М., Филиппов В.В., Муслаков В.П. Магнитомягкие ферриты для радиоэлектронной аппаратуры. Справочник. – М.: Радио и связь, 1983. – 200 с., ил.
Расчетные геометрические параметры кольцевых сердечников.
Б.Ю.Семенов. Силовая электроника для любителей и профессионалов. М. : Солон-Р, 2001. – 327 с. : ил
Курс лекций “Импульсная техника” для студентов 4-го курса кафедры Радиофизики. Глава 3.

Тороидальный трансформатор: отличия и особенности конструкции

Содержание

1 Отличия тороидальных трансформаторов
2 Сердечники тороидальных трансформаторов
3 Намотка тороидальных трансформаторов
4 Определение конструкции тороидального трансформатора

Тороидальный трансформатор – электротехнический преобразователь напряжения или тока, сердечник которого изогнут кольцом и замкнут. Профиль сечения отличается от круглого, название все равно применяют за неимением лучшего.

Отличия тороидальных трансформаторов

Автором тороидальных трансформаторов признан Майкл Фарадей. Возможно встретить в отечественной литературе (особенно, коммунистических времен) утопичную идею: первым собрал подобное Яблочков, сравнив указываемую дату – обычно, 1876 год – с ранними опытами по электромагнитной индукции (1830). Просится вывод: Англия опередила Россию на полвека. Интересующихся подробностями отошлем к обзору Закон электромагнитной индукции. Приводятся детальные сведения о конструкции первого в мире тороидального трансформатора. Изделие отличает форма сердечника. Помимо тороидальных принято по форме различать:

Броневые. Отличаются избыточностью ферромагнитного сплава. Для замыкания линий поля (чтобы проходили внутри материала) ярма охватывают обмотки с внешней стороны. В результате входная и выходная наматываются вокруг общей оси. Одна поверх другой или рядом.
Стержневые. Сердечник трансформатора проходит внутри витков обмотки. Пространственно входная и выходная разнесены. Ярма вбирают малую часть линий напряженности магнитного поля, проходящих за пределами витков. Фактически нужны, чтобы соединить стержни.

Тороидальный трансформатор

Новичку приходится туго, нелишне пояснить подробнее. Стержнем называется часть сердечника, проходящая внутри витков. На остов наматывается проволока. Ярмом называется часть сердечника, соединяющая стержни. Нужны передавать линии магнитного поля. Ярма замыкают сердечник, формируя цельную конструкцию. Замкнутость требуется для свободного распространения внутри материала магнитного поля.

Тема Магнитная индукция показывает – внутри ферромагнетика поле значительно усиливается. Эффект образует базис функционирования трансформаторов.

В состав стержневого сердечника ярмо входит минимальным составом. В броневом охватывает дополнительно обмотки снаружи вдоль длины, как бы защищая. От аналогии произошло название. Майкла Фарадея выбрал тор скорее интуитивно. Формально можно назвать стержневым сердечником, хотя направляющая оси симметрии обмоток идет дугой.

Опорой первому магниту (1824 год) стала лошадиная подкова. Возможно, факт придал направлению полета творческой мысли ученого верный азимут. Используй Фарадей иной материал, опыт окончится неудачей.

Тор навивают единой лентой. Подобные сердечники называют спиральными в отличие от броневых и стержневых, которые фигурируют в литературе за термином пластинчатые. Это введет в заблуждение. Лишний раз следует сказать: тороидальный сердечник, будучи намотанным отдельными пластинами, называется спиральным. Разбивать частями приходится, когда отсутствует лента. Это вызвано чисто экономическими причинами.

Подытожим: в исходном виде тороидальный трансформатор Фарадея имел сердечник круглого сечения. Сегодня форма невыгодна, невозможно обеспечить массовое производство соответствующей технологией. Хотя деформация проволоки по углам сгиба приводит однозначно к ухудшению характеристик изделия. Механические напряжения повышают омическое сопротивление обмотки.

Сердечники тороидальных трансформаторов

Тороидальный трансформатор назван за форму сердечника. Майкл Фарадей изготовил бублик, использовав цельный кусок мягкой стали круглого сечения. Конструкция нецелесообразна на современном этапе по нескольким причинам. Главное внимание уделяется минимизации потерь. Сплошной сердечник невыгоден, наводятся вихревые токи, сильно разогревающие материал. Получается плавильная индукционная печь, легко превращающая в жидкость сталь.

Чтобы избежать ненужных трат энергии и нагревания трансформатора, сердечник нарезают полосами. Каждая изолируется от соседней, например, лаком. В случае тороидальных сердечников наматывают единой спиралью, либо полосами. Сталь обычно на одной стороне имеет изолирующее покрытие толщиной единицы микрометра.

Упомянутые стали используются для конструирования трансформаторов тока, довольно часто по исполнению являющихся тороидальными. Интересующимся можно ознакомиться с ГОСТ 21427.2 и 21427.1. Для сердечников (как следует из названия документов) сегодня чаще используется анизотропная холоднокатаная листовая сталь. В название заложено: магнитные свойства материала неодинаковы по разным осям координат. Вектор потока поля должен совпадать с направлением проката (в нашем случае движется по кругу). Ранее применялся другой металл. Сердечники высокочастотных трансформаторов могут изготавливаться из стали 1521. В рамках сайта особенности применяемых материалов обсуждались (см. коэффициент трансформации). Сталь маркируется по-разному, в состав обозначения включаются сведения:

Первое место отводится цифре, характеризующей структуру. Для анизотропных сталей применяется 3.
Вторая цифра указывает процентное содержание кремния:

менее 0,8%.
0,8 – 1,8%.
1,8 – 2,8%.
2,8 – 3,8%.
3,8 – 4,8%.

Третья цифра указывает основную характеристику. Могут быть удельные потери, величина магнитной индукции при фиксированной напряженности поля.
Тип стали. С ростом числа удельные потери ниже. Зависит от технологии производства металла.

При транспортировке структура стали неизбежно повреждается. Дефекты устраним специальным отжигом на месте сборки. Делается в обязательном порядке для измерительных трансформаторов тока, где важна точность показаний. Сердечник наматывается цельным куском или отрезными полосами на оправку цилиндрической или овальной формы. При необходимости ленты можно нарезать из цельного листа (экономически чаще нецелесообразно). Длина каждой должна составлять не менее шести с половиной радиусов намотки. Для достижения нужной длины допускается соединять отдельные полосы точечной сваркой. Шихтование (разбивка тонкими слоями) устраняет явление вихревых токов. Потери перемагничивания мало меняются, составляя малую долю упомянутого ранее паразитного эффекта.

Теряет значение взаимное расположение конца и начала ленты. Чтобы спираль не размоталась, последний виток приваривают к предыдущему точечной сваркой. Намотка ведется с натяжением, собранные из нескольких полос ленты обычно не удаётся подогнать плотно, сварной шов выполняется внахлест. Иногда тор режется на две части (разрезной сердечник), на практике требуется сравнительно редко. Половинки при сборке стягиваются бандажом. В процессе изготовления готовый тороидальный сердечник режется инструментом, торцы шлифуются. Витки спирали скрепляются связующим веществом, чтобы не размоталась.

Трансформатор с замкнутым сердечником

Намотка тороидальных трансформаторов

Стандартно производится дополнительная изоляция тороидального сердечника от обмоток, даже если используется лакированная проволока. Широко применяется электротехнический картон (ГОСТ 2824) толщиной до 0,8 мм (возможным другие варианты). Распространенные случаи:

Картон наматывается с захватом предыдущего витка на тороидальный сердечник. Способ характеризуется, как вполнахлеста (половина ширины). Конец приклеивается или закрепляется киперной лентой.
По торцам сердечник защищают картонные шайбы с надрезами глубиной 10 – 20 мм, шагом 20-35 мм, перекрывающие толщину тора. Наружная, внутренняя грань закрываются полосами. Технологически шайбы идут в сбор последними, прорезанные зубцы загибаются. Поверх спирально наматывается киперная лента.
Надрезы могут производиться на полосах, тогда берутся с запасом, чтобы больше высоты тора, кольца – строго по ширине, накладываются поверх загибов.
Тонкие полосы, кольца текстолита закрепляются на тороидальном сердечнике лентами стеклоткани вполнахлеста.
Иногда кольца выполняются из электротехнической фанеры, гетинакса, толстого (до 8 мм) текстолита с запасом наружного диаметра 1-2 мм. Внешнюю и внутреннюю грань защищают картонными полосами с загибом по краям. Меж первыми витками обмотки, сердечником остается воздушный зазор. Промежуток под картоном нужен на случай, если края под проволокой протрутся. Тогда токонесущая часть никогда не коснется тороидального сердечника. Поверх наматывается киперная лента. Иногда внешнее ребро колец сглаживается, чтобы намотка углами шла плавно.
Имеется разновидность изоляции, сходная с предыдущей, с внутренней стороны по кольцам на внешних ребрах имеются проточки до сердечника, куда ложатся полосы. Элементы выполняются из текстолита. Поверх наматывается киперная лента.

Обмотки обычно выполняются концентрическими (одна над другой), либо чередующимися (как в первом опыте Майкла Фарадея 1831 года), называют иногда дисковыми. В последнем случае через одну может наматываться достаточно большое их число, попеременно: то высокое напряжение, то низкое. Применяется чистая электротехническая медь (99,95%) удельным сопротивлением 17,24 – 17,54 нОм м. Ввиду дороговизны металла для изготовления тороидальных трансформаторов малой и средней мощности берется рафинированный алюминий. Для прочих случаев сказываются ограничения по проводимости и пластичности.

В мощных трансформаторах медный провод бывает прямоугольного сечения. Делается для экономии места. Жила должна быть толстой, пропуская значительный ток, дабы не расплавиться, круглое сечение приведет к излишнему росту габаритов. Выигрыш равномерности распределения поля по материалу свелся бы к нулю. Толстый прямоугольный провод достаточно удобно укладывать, чего нельзя сказать касательно тонкого. В остальном (по конструктивным признакам) намотка производится в точности теми же путями, как в случае обычного трансформатора. Катушки делаются цилиндрическими, винтовыми, однослойными, многослойными.

Определение конструкции тороидального трансформатора

Интересующимся вопросом рекомендуем изучить книгу С. В. Котенева, А. Н. Евсеева по расчету оптимизации тороидальных трансформаторов (издание Горячая линия – Телеком, 2011 год). Напоминаем: издание защищено законом об авторских правах. Профессионалы найдут силы (средства) приобрести при необходимости книгу. Согласно главам, расчет начинается определением параметров режима холостого хода. Подробно описывается, как найти активный и реактивный токи, высчитать ключевые параметры.

Печатное издание, несмотря на некоторую спорность изложения, попутно дает понять, почему включенный в цепь трансформатор, лишенный нагрузки, не сгорает (энергия тока расходуется намагничиванием). Хотя, казалось бы, предсказан очевидный исход мероприятия.

Число витков первичной обмотки выбирается из условия не превышения магнитной индукцией максимального значения (до входа в режим насыщения, где значение не меняется ростом напряженности поля). Если конструирование ведется для бытовой сети 230 вольт, берется допуск согласно ГОСТ 13109. В нашем случае, имеется в виду отклонение амплитуды в пределах 10%. Помним: вся промышленность перешла в XXI веке на 230 вольт (220 не используется, приводится в литературе, «наследием тяжелого прошлого»).

Расчет и намотка трансформатора своими руками. Правильная намотка трансформатора своими руками. Намоточный станок своими руками

Отличия тороидальных трансформаторов

Автором тороидальных трансформаторов признан Майкл Фарадей. Возможно встретить в отечественной литературе (особенно, коммунистических времен) утопичную идею: первым собрал подобное Яблочков, сравнив указываемую дату – обычно, 1876 год – с ранними опытами по электромагнитной индукции (1830). Просится вывод: Англия опередила Россию на полвека. Интересующихся подробностями отошлем к обзору . Приводятся детальные сведения о конструкции первого в мире тороидального трансформатора. Изделие отличает форма сердечника. Помимо тороидальных принято по форме различать:

Броневые. Отличаются избыточностью ферромагнитного сплава. Для замыкания линий поля (чтобы проходили внутри материала) ярма охватывают обмотки с внешней стороны. В результате входная и выходная наматываются вокруг общей оси. Одна поверх другой или рядом.
Стержневые. Сердечник трансформатора проходит внутри витков обмотки. Пространственно входная и выходная разнесены. Ярма вбирают малую часть линий напряженности магнитного поля, проходящих за пределами витков. Фактически нужны, чтобы соединить стержни.

Тороидальный трансформатор

Тема Магнитная индукция показывает – внутри ферромагнетика поле значительно усиливается. Эффект образует базис функционирования трансформаторов.

Опорой первому магниту (1824 год) стала лошадиная подкова. Возможно, факт придал направлению полета творческой мысли ученого верный азимут. Используй Фарадей иной материал, опыт окончится неудачей.

Подытожим: в исходном виде тороидальный трансформатор Фарадея имел сердечник круглого сечения. Сегодня форма невыгодна, невозможно обеспечить массовое производство соответствующей технологией. Хотя деформация проволоки по углам сгиба приводит однозначно к ухудшению характеристик изделия. Механические напряжения повышают омическое сопротивление обмотки.

Сердечники тороидальных трансформаторов

Упомянутые стали используются для конструирования , довольно часто по исполнению являющихся тороидальными. Интересующимся можно ознакомиться с ГОСТ 21427.2 и 21427.1. Для сердечников (как следует из названия документов) сегодня чаще используется анизотропная холоднокатаная листовая сталь. В название заложено: магнитные свойства материала неодинаковы по разным осям координат. Вектор потока поля должен совпадать с направлением проката (в нашем случае движется по кругу). Ранее применялся другой металл. Сердечники высокочастотных трансформаторов могут изготавливаться из стали 1521. В рамках сайта особенности применяемых материалов обсуждались (см. ). Сталь маркируется по-разному, в состав обозначения включаются сведения:

Первое место отводится цифре, характеризующей структуру. Для анизотропных сталей применяется 3.
Вторая цифра указывает процентное содержание кремния:

менее 0,8%.
0,8 – 1,8%.
1,8 – 2,8%.
2,8 – 3,8%.
3,8 – 4,8%.

Третья цифра указывает основную характеристику. Могут быть удельные потери, величина при фиксированной напряженности поля.
Тип стали. С ростом числа удельные потери ниже. Зависит от технологии производства металла.

Намотка тороидальных трансформаторов

Картон наматывается с захватом предыдущего витка на тороидальный сердечник. Способ характеризуется, как вполнахлеста (половина ширины). Конец приклеивается или закрепляется киперной лентой.
По торцам сердечник защищают картонные шайбы с надрезами глубиной 10 – 20 мм, шагом 20-35 мм, перекрывающие толщину тора. Наружная, внутренняя грань закрываются полосами. Технологически шайбы идут в сбор последними, прорезанные зубцы загибаются. Поверх спирально наматывается киперная лента.
Надрезы могут производиться на полосах, тогда берутся с запасом, чтобы больше высоты тора, кольца – строго по ширине, накладываются поверх загибов.
Тонкие полосы, кольца текстолита закрепляются на тороидальном сердечнике лентами стеклоткани вполнахлеста.
Иногда кольца выполняются из электротехнической фанеры, гетинакса, толстого (до 8 мм) текстолита с запасом наружного диаметра 1-2 мм. Внешнюю и внутреннюю грань защищают картонными полосами с загибом по краям. Меж первыми витками обмотки, сердечником остается воздушный зазор. Промежуток под картоном нужен на случай, если края под проволокой протрутся. Тогда токонесущая часть никогда не коснется тороидального сердечника. Поверх наматывается киперная лента. Иногда внешнее ребро колец сглаживается, чтобы намотка углами шла плавно.
Имеется разновидность изоляции, сходная с предыдущей, с внутренней стороны по кольцам на внешних ребрах имеются проточки до сердечника, куда ложатся полосы. Элементы выполняются из текстолита. Поверх наматывается киперная лента.

Определение конструкции тороидального трансформатора

Если вы заинтересованы в изготовлении сварочного аппарата или стабилизатора напряжения, то вам обязательно нужно знать, что такое тороидальные трансформаторы. Но самое главное – как они работают и какие тонкости при изготовлении имеют. Кроме того, такие трансформаторы, ввиду своей конструкции, способны отдать большую мощность в сравнении с теми, которые намотаны на Ш-образном сердечнике. Следовательно, такие устройства идеально подходят для питания очень мощной аппаратуры – например, усилителей низкой частоты.

Основные данные

Итак, прежде чем приступать к изготовлению трансформатора, вам нужно изучить матчасть. Во-первых, вам необходимо определиться с типом используемого провода. Во-вторых, нужно рассчитать количество витков (отсюда следует, что вы будете знать, сколько всего метров провода вам необходимо). В-третьих, обязательно нужно выбрать сечение провода. От этого параметра зависит выходной ток, следовательно, мощность тороидального трансформатора.

Также обязательно нужно учитывать, что при малом числе витков в первичной обмотке будет происходить нагрев. Аналогичная ситуация возникает и в том случае, если мощность потребителей, подключенных ко вторичной обмотке, превышает то значение, которое может отдать трансформатор. Следствие перегрева – это снижение надежности. Причем привести перегрев может даже к воспламенению трансформатора.

Что потребуется для изготовления

Итак, вы приступаете к изготовлению трансформатора. Вам нужно обзавестись инструментами и материалами. Конечно, может потребоваться даже швейная игла или спички, но наверняка такие принадлежности имеются у каждого. Самое главное – это железо, из которого делаются тороидальные трансформаторы. Вам потребуется много трансформаторной стали, она должна быть в форме тора. Далее, конечно же, провод в лаковой изоляции. Обязательно наличие малярного скотча и клея типа ПВА. Также для разделения обмоток необходима изолента на основе ткани. И несколько кусков провода для соединения концов обмоток. Причем провод необходимо использовать в силиконовой или резиновой изоляции.

Трансформаторная сталь

Достать такой аксессуар, как может показаться, очень сложно. Но в любом доме, сарае, даже на пунктах приема металла сегодня можно найти негодные стабилизаторы напряжения. В советские годы они были весьма популярны, использовались совместно в черно-белых телевизорах, дабы не посадить кинескопы. Вам не важно, работает этот стабилизатор либо же он сгоревший. Самое главное – это тороидальные трансформаторы, которые в нем используются. Именно они и будут основой вашей конструкции. Но перед этим нужно избавиться от старой обмотки, которая изготовлена из алюминиевого провода. А дальше – подготовка сердечника. Обратите внимание на то, что у него прямые углы. Вам это не нужно, так как можно повредить лаковую изоляцию при намотке. Постарайтесь максимально скруглить углы, обработав их напильником. Затем поверх трансформаторной стали укладываете изоленту на основе ткани. Всего необходим только один слой.

Обмотки

А теперь немного о том, как проводится расчет тороидального трансформатора. Можно, конечно, использовать простые программы, которых великое множество. Можно с линейкой и калькулятором произвести расчет. Конечно, он будет иметь погрешность, так как не учитывается еще множество факторов, которые имеются вообще в природе. Вам следует придерживаться одного правила при расчете – мощность во вторичной катушке не должна быть больше этого же значения в первичной обмотке.

Что касается такого процесса, как намотка тороидального трансформатора, то он очень трудоемкий. Хорошо, если имеется возможность разобрать магнитопровод и после намотки собрать его воедино. Но если такой возможности нет, то можно применить своеобразное веретено. На него наматываете определенное количество провода. Затем, пропуская это веретено сквозь тор, укладываете витки обмоток. Времени на это уйдет немало, поэтому если не уверены в своих силах, лучше приобретите готовый блок питания.

Пример расчета

Лучше всего процесс описать на конкретном примере. Первичная обмотка, как правило, питается от сети переменного напряжения 220 В. Допустим, вам нужны две вторичные обмотки, чтобы каждая выдавала по 12 В. А еще вы используете в первичной обмотке провод сечением 0,6 мм. Следовательно, площадь сечения составит примерно 0,23 кв. мм. Но это еще не все вычисления, тороидальные трансформаторы нуждаются в тщательной подгонке всех параметров. А теперь опять немного математики – нужно разделить 220 (В) на сумму напряжений вторичных цепей. В итоге получаете некий коэффициент 3,9. Он обозначает, что сечение провода, используемого во вторичной обмотке, должно быть ровно в 3,9 раз больше, нежели в первичной. Чтобы вычислить количество витков для первичной обмотки, вам потребуется воспользоваться простой формулой: коэффициент «40» умножить на напряжение (в первичной цепи оно равно 220 В), после чего это произведение разделить на площадь поперечного сечения магнитопровода. Стоит отметить, что от того, насколько точно проведен расчет тороидального трансформатора, зависит его КПД и срок службы. Поэтому лучше лишний раз повторите каждый этап расчета.

Намотать трансформатор своими руками – процесс не столько сложный, сколько длительный, требующий постоянной концентрации внимания.

Тем, кто приступает к такой работе в первый раз, бывает трудно разобраться, какой материал использовать и как проверить готовый прибор. Пошаговая инструкция, представленная ниже, даст новичкам ответы на все вопросы.

Прежде чем приступить непосредственно к намотке, необходимо запастись всеми необходимыми для выполнения работы приспособлениями и инструментами:

Виды и способы, направления намотки обмоток трансформатора представлены на фото:

Изоляция слоев обмотки

В некоторых случаях между проводами требуется вставить прокладки для изоляции. Чаще всего для этого используют конденсаторную или кабельную бумагу.
Середину соседних трансформаторных обмоток следует изолировать сильнее. Для изоляции и выравнивания поверхности под следующий слой обмотки потребуется специальная лакоткань , которую нужно обернуть с обеих сторон бумагой. Если лакоткани не найдется, то решить проблему можно с помощью все той же бумаги, сложенной в несколько слоев.

Бумажные полосы для изоляции должны быть шире обмотки на 2-4 мм.

Для проверки , прежде всего надо определить выводы всех его обмоток. Полезные советы о том, как проверить трансформатор мультиметром на работоспособность, читайте в следующей статье.

Алгоритм действий

Провод с катушкой закрепить в устройстве намотке , а каркас трансформатора – в устройстве намотки. Вращения делать мягкие, умеренные, без срывов.
Провод с катушки опустить на каркас.
Между столом и проводом оставить минимум 20 см , чтобы можно было расположить на столе руку и фиксировать провод. Также на столе должны находиться все сопутствующие материалы: наждачная бумага, ножницы, бумага для изоляции, включенный паяльный инструмент, карандаш или ручка.
Одной рукой плавно вращать намоточное устройство, а второй – фиксировать провод. Необходимо, чтобы провод ложился ровно, виток к витку.
Трансформаторный каркас заизолировать , а выведенный конец провода продеть сквозь каркасное отверстие и ненадолго зафиксировать на оси намоточного устройства.
Намотку следует начинать без спешки: необходимо «набить руку», чтобы получалось укладывать обороты друг рядом с другом.
Нужно следить, чтобы угол провода и натяжение были постоянными. Мотать каждый последующий слой «до упора» не следует, т. к. провода могу соскользнуть и провалиться в каркасные «щечки».
Счетное устройство (если есть) установить на ноль либо внимательно считать витки устно.
Изолирующий материал склеить или прижать мягким кольцом из резины.
Каждый последующий оборот на 1-2 витка делать тоньше предыдущего.

О намотке катушек трансформатора своими руками смотрите в видео-ролике:

Соединение проводов

Если в ходе наматывания произойдет разрыв, то:

тонкие провода (тоньше 0,1 мм) скрутить и заварить;
концы проводов средней толщины (менее 0,3 мм) следует освободить от изоляционного материала на 1-1. 5 см, скрутить и спаять;
концы толстых проводов (толще 0,3 мм) нужно немного зачистить и спаять без скрутки;
место спайки (сварки) заизолировать.

Важные моменты

Если для намотки используется тонкий провод, то количество витков должно превышать несколько тысяч . Сверху обмотку необходимо защитить бумагой для изоляции или дерматином.

Если трансформатор обмотан толстым проводом, то наружная защита не требуется.

Испытание

После того, как с намоткой будет закончено, необходимо испытать трансформатор в действии , для этого следует подключить к сети его первичную обмотку.

Чтобы проверить прибор на возникновение коротких замыканий, следует последовательно подключить к источнику питания первичную обмотку и лампу.

Степень надежности изоляции проверяется посредством поочередного касания выведенным концом провода каждого выведенного конца сетевой обмотки.

Проводить испытание трансформатора следует очень внимательно и осторожно, дабы не попасть под напряжение повышающей обмотки.

Если неукоснительно следовать предложенной инструкции и не пренебрегать ни одним из пунктов , то намотка трансформатора вручную не будет представлять никаких сложностей, и справиться с ней сможет даже новичок.

По форме магнитопровода трансформаторы подразделяются на стержневые, броневые и тороидальные. Казалось бы, разницы нет, ведь главное – мощность, которую способен преобразовать трансформатор. Но если взять три трансформатора с магнитопроводами разной формы на одну и ту же габаритную мощность, то выяснится, что тороидальный трансформатор покажет лучшие рабочие характеристики из всех. Именно по этой причине чаще всего для питания различных устройств во многих промышленных сферах выбор останавливают, конечно, на тороидальных трансформаторах в силу их высокой эффективности.

Сегодня тороидальные трансформаторы применяют в различных сферах промышленности, и наиболее часто тороидальные трансформаторы устанавливают в источники бесперебойного питания, в стабилизаторы напряжения, применяют для питания осветительной техники и радиотехники, часто тороидальные трансформаторы можно увидеть в медицинском и диагностическом оборудовании, в сварочном оборудовании и т. д.

Как вы понимаете, говоря «тороидальный трансформатор», подразумевают обычно сетевой однофазный трансформатор, силовой или измерительный, повышающий или понижающий, у которого тороидальный сердечник оснащен двумя или несколькими обмотками.

Работает тороидальный трансформатор принципиально так же как и : он понижает или повышает напряжение, повышает или понижает ток – преобразует электроэнергию. Но тороидальный трансформатор отличается при той же передаваемой мощности меньшими размерами и меньшим весом, то есть лучшими экономическими показателями.

Главная особенность тороидального трансформатора – небольшой общий объем устройства, доходящий до половины в сравнении с другими типами магнитопроводов. вдвое больше по объему чем тороидальный ленточный сердечник при той же габаритной мощности. Поэтому тороидальные трансформаторы удобнее устанавливать и подключать, и уже не так важно, идет ли речь о внутреннем или о наружном монтаже.

Любой специалист скажет, что тороидальная форма сердечника является идеальной для трансформатора по нескольким причинам: во-первых, экономия материалов на производстве, во-вторых, обмотки равномерно заполняют весь сердечник, распределяясь по всей его поверхности, не оставляя неиспользованных мест, в-третьих, поскольку обмотки имеют меньшую длину, КПД тороидальных трансформаторов получается выше в силу меньшего сопротивления провода обмоток.

Охлаждение обмоток – еще один важный фактор. Обмотки эффективно охлаждаются будучи расположены в форме тороида, следовательно плотность тока может быть более высокой. Потери в железе при этом минимальны и ток намагничивания сильно меньше. В итоге тепловая нагрузочная способность тороидального трансформатора оказывается очень высокой.

Экономия электроэнергии – еще один плюс в пользу тороидального трансформатора. Примерно на 30% больше энергии сохраняется при полной нагрузке, и примерно 80% на холостом ходу, в сравнении с шихтованными магнитопроводами иных форм. Показатель рассеяния у тороидальных трансформаторов в 5 раз меньше чем у броневых и стержневых трансформаторов, поэтому их можно безопасно использовать с чувствительным электронным оборудованием.

При мощности тороидального трансформатора до киловатта, он настолько легок и компактен, что для монтажа достаточно применить прижимную металлическую шайбу и болт. Потребителю всего то и нужно выбрать подходящий трансформатор по току нагрузки и по первичному и вторичному напряжениям. При изготовлении трансформатора на заводе рассчитывают площадь сечения сердечника, площадь окна, диаметры проводов обмоток, – и выбирают оптимальные габариты магнитопровода с учетом допустимой индукции в нем.

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.

Правильный расчет силового трансформатора

Сразу оговорюсь, что буду рассматривать однофазные трансформаторы для питания наземной стационарной радиоаппаратуры мощностью в десятки – сотни ватт, что имеет самое распространенное применение.

Прежде, чем приступить к расчетам трансформатора, которых может быть великое множество, необходимо договориться о критериях его качества, что непременно отразится на построении расчетных формул.

Я считаю, что главный качественный показатель силовоготрансформатора для радиоаппаратуры – это его надежность. Следствие надежности – это минимальный нагрев трансформатора при работе (иными словами, он должен быть всегда холодным!) и минимальная просадка выходных напряжений под нагрузкой (иначе говоря, трансформатор должен быть “жестким”).

Другие критерии оптимизации, кроме надежности, как-то: экономия меди, минимальные габариты или вес, высокая удельная мощность, удобство намотки, минимизация стоимости, ограниченный срок службы (чтобы новые покупали чаще, взамен сгоревших) я не считаю приемлемыми в инженерной практике.

Методики “вышивания” из имеющегося типоразмера сердечника наимаксимальнейшей мощности, я тоже считаю неприемлемыми: такие трансформаторы долго не работают и греются как черти. Хотите экономить – покупайте китайскую дешевку или советский ширпотреб. Но помните: “Скупой всегда платит дважды!”.

Трансформатор должен работать и не создавать проблем. Это его главная функция. Исходя из этого, будем его и рассчитывать! Прежде всего, необходимо уяснить для себя некоторую минимальную теорию. Итак: силовой трансформатор. Не идеальный.

Поэтому эти неидеальности нужно понимать и правильно учитывать. Главных неидеальностей у силового трансформатора – две:

Потери на активном сопротивлении провода обмоток (зависят от материала провода и от плотности, протекающего через него тока).
Потери на перемагничивание в сердечнике – на неком “магнитном сопротивлении” (зависят от материала сердечника и от значения магнитной индукции).

Именно эти две неидеальности должны быть разумно-минимальными, чтобы трансформатор удовлетворял требованиям надежности. Активное сопротивление обмоток и, как следствие, их нагрев, определяется заложенной при расчете плотностью тока в проводе. А посему ее значение должно быть оптимальным.

На основании большого практического опыта рекомендую использовать значение плотности тока в медном проводе не более 3,2 ампера на квадратный миллиметр сечения. При использовании серебряного провода, плотность тока можно увеличить до 3,5 ампер на квадратный миллиметр.

А вот для алюминиевого провода она не должна превышать значение 2 ампера на квадратный миллиметр. Указанные значения плотности тока категорически превышать нельзя! И из этих значений мы выведем формулы для определения диаметра провода обмоток, коими будем пользоваться в расчете.

Мотать обмотки более толстым проводом (при меньшем значении плотности тока) – можно. Более тонким – категорически нет! Однако, и более толстым проводом мотать обмотки не стоит, поскольку тогда мы рискуем не уложить нужное число витков в окно сердечника.

А в хорошем трансформаторе должно быть много витков, чтобы свести к минимуму магнитные потери и чтобы не грелся его сердечник. Большинство холоднокатаных электротехнических сталей сохраняют свою линейность до значения магнитной индукции 1,35 Тесла или 13500 Гаусс. Но надо не забывать, что напряжение в розетке электросети может иметь разброс от 198 до 242 вольт, что соответствует нормированному 10-ти процентному отклонению от номинала как в плюс, так и в минус.

То есть, если мы хотим, чтобы во всем диапазоне питающих напряжений наш трансформатор работал надежно, надо его рассчитать так, чтобы сердечник не подходил бы к нелинейности при любом допустимом напряжении питающей сети.

В том числе и при 242 вольтах. А посему, на номинальном напряжении 220 вольт, магнитная индукция должна выбираться не более 1,2 Тесла или 12000 Гаусс.

Соблюдение этих двух указанных требований обеспечит высокий КПД трансформатора и высокую стабильность выходных напряжений при изменении тока нагрузки от нуля до максимального значения. Иными словами, мы получим очень “жесткий” трансформатор. Что и нужно!

А вот увеличение расчетного значения индукции более 1,2 Тесла приведет не только к нагреву сердечника, но и к снижению “жесткости” трансформатора. Если расчитывать трансформатор на значение индукции более 1,3 Тесла, то мы получим “мягкий” трансформатор, выходные напряжения которого плавно просаживаются при увеличении тока нагрузки от нуля до его номинального значения.

Не для всех радиоустройств такие трансформаторы пригодны. Впрочем, в транзисторных схемах можно с успехом использовать стабилизатор выпрямленного напряжения. Но это – дополнительная схема, дополнительные габариты, дополнительная рассеиваемая мощность, дополнительные деньги и дополнительная ненадежность.

Не лучше ли сразу сделать хороший трансформатор?

У мягкого питающего трансформатора напряжения на одних вторичных обмотках зависит от потребляемых токов в других – за счет просадки в общих цепях – на активном сопротивлении первичной обмотки и на магнитном сопротивлении.

Например, если мы питаем от мягкого трансформатора двухтактный ламповый усилитель, работающий в режиме класса В или АВ, то изменение потребления по анодной цепи приведет к дополнительным колебаниям напряжения накала ламп.

И, поскольку, напряжение накала ламп имеет также допустимый разброс в 10% от номинала, мягкий трансформатор внесет в это напряжение дополнительную нестабильность еще в 10, а то и в 15 процентов.

А это неизбежно сначала сократит выходную мощность усилителя на больших громкостях (инерционные просадки громкости), а с течением времени приведет к более ранней потери эмиссии у ламп. Экономия на силовом трансформаторе аукается более дорогими потерями в радиолампах и в параметрах радиоустройств.

Вот уж воистину: “Экономия – путь к разорению и нищете!”. В настоящее время наиболее распространены магнитопроводы следующих конфигураций (рис. 1).

Рис. 1. Наиболее распостраненные виды магнитопроводов для изготовления трансформаторов.

Дальнейший расчет трансформатора будем вести по строгим классическим формулам из учебника электротехники:

При соблюдении достигнутых договоренностей КПД трансформатора (при наиболее часто встречающихся мощностях 80…200 Вт) будет не ниже 95 процентов, а то и выше. Поэтому, в формулах будем использовать значение КПД = 0,95.

Коэффициент заполнения окна сердечника медью для тороидальных трансформаторов составляет 0,35. Для обычных каркасных броневых или стержневых – 0,45.

При широких каркасах и большой длине намотки одного слоя (h) значение Кm может доходить и до значения 0,5…0,55, как, например, у магнитопроводов типа Б69 и Б35, параметры которых приведены на рисунке. При бескаркасной промышленной намотке Кm может иметь значения и до 0,6…0,65.

Для справки: теоретический предел значения Кm для слоевого размещения круглого провода без изоляции в квадратном окне – 0,87.

Приведенные практические значения Кm достижимы лишь при ровной укладке провода строго виток к витку, тонкой межслойной и межобмоточной изоляции и заделке выводов за пределами окна сердечника (на боковых вылетах обмотки).

При изготовлении каркасных обмоток в любительских условиях, в условиях лабораторного или опытного производства, лучше принимать значение Km = 0,45…0,5.

Разумеется, все это касается обычных силовых трансформаторов для ламповой или транзисторной аппаратуры, с выходными и питающими напряжениями до 1000 В, где не предъявляются повышенные изоляционные требования к обмоткам и к заделке их выводов.

Габаритная мощность трансформатора, в ваттах, на конкретно выбранном сердечнике определяется по формуле:

где:

n = 0,95 – КПД трансформатора;
Sc и So – площади поперечного сечения сердечника и окна, соответственно [кв. см];
f – нижняя рабочая частота трансформатора [Гц];
В = 1,2 – магнитная индукция [Т];
j – плотность тока в проводе обмоток [А/кв.мм];
Km – коэффициент заполнения окна сердечника медью;
Кс = 0,96 – коэффициент заполнения сечения сердечника сталью;

Задавшись напряжениями обмоток, количество необходимых витков можно рассчитать по такой формуле:

где:

U1, U2, U3,… – напряжения обмоток в вольтах;
n1, n2, n3,… – число витков обмоток.

Если изначальные договоренности нами в точности соблюдены, и мы делаем жесткий трансформатор, то число витков как первичной, так и вторичной обмоток определяется по одной и той же формуле.

Если же мы будем использовать трансформатор при предельном значении мощности для имеющегося типоразмера сердечника, рассчитанное по этой формуле, или мы проектируем маломощные трансформаторы (менее 50 Вт), с большим числом витков и тонким проводом обмоток, то число витков вторичных обмоток следует увели чить в

раз. С учетом нашей договоренности, это составит 1,026 или больше рассчетного на 2,6%.

Что же касается напряжений накальных обмоток, то здесь стоит вспомнить указание самой главной книги по радиолампам: “Руководство по применению приемно-усилительных ламп” [1 ], выпущенное для радиоинженеров-разработчиков Государственным комитетом по электронной технике СССР в 1964 году.

Открыв это руководство на 13-й странице, внимательно рассмотрим график (рис. 2) и уясним из него, что оптимальное напряжение накала радиоламп для сохранения их максимальной надежности и, соответственно, долговечности составляет 95% от номинала.

Что для ламп с напряжением накала 6,3 вольта составит ровно 6 вольт. Поэтому не надо увеличивать число витков накальных обмоток на 2,6%. Пусть будет, как есть.

Определяем токи обмоток. Ток первичной обмотки: I1 = P/U1

При использовании двухполупериодного выпрямителя средний ток каждой половины обмотки будет в 1,41 раза (корень из двух) меньше, чем необходимый выпрямленный ток нагрузки.

В случае использования мостового полупроводникового выпрямителя, ток обмотки будет в 1,41 раза больше, чем выпрямленный ток нагрузки.

Поэтому, надо не забыть в формулы для определения диаметров проводов подставлять потребления по постоянному току, в первом случае поделенные, а во втором, умноженные на 1,41. В идеале – это так, но реально – не совсем.

Рис. 2. График.

На холостом ходу напряжение после выпрямителя, на сглаживающем конденсаторе, увеличивается до амплитудного значения, которое у синусоиды в 1,41 раза больше эффективного.

А вот при активно-емкостной нагрузке между полупериодами емкость разряжается током нагрузки и выходное напряжение “просаживается”.

Точный расчет напряжения просадки довольно сложен, однако, для практической точности следует вместо коэффициента 1,41 выбирать эмпирический коэффициент 1,24.

Поэтому напряжения обмоток, которые будут работать на двухполупериодные или мостовые выпрямители, следует брать в 1,24 раза меньше.

Соответственно, и токи обмоток возрастут не в 1,41, а в 1,24 раза относительно потребления по постоянному току. Ну, а в двухполупериодной схеме со средней точкой(при удвоенном числе витков) средний ток обмотки будет равен половине от 1,24, то есть, 0,62 от тока потребления нагрузки.

Рассчитываем диаметры проводов обмоток исходя из протекающих в них токов по следующим формулам (для меди, серебра или алюминия):

Полученные значения округляем в сторону увеличения до ближайшего стандартного диаметра провода.

Делаем проверку расчета. Мощность первичной обмотки – произведение питающего напряжения на потребляемый ток, должна быть равна сумме мощностей всех вторичных обмоток. То есть: U1 х I1 = U2 х І2 + U3 х І3 + U4 х І4 + …

Намотав трансформатор, для проведения дальнейших расчетов выпрямителя необходимо замерить некоторые его параметры:

активное сопротивление первичной обмотки;
активное сопротивление вторичных обмоток;
точные значения напряжений вторичных обмоток, разумеется, проверив, чтобы в сети при этом напряжение составляло 220 вольт. Если же оно отличается от номинала (но находится в пределах 198…242), то пропорционально пересчитать измеренные значения;
ток холостого хода первичной обмотки (какой ток трансформатор потребляет из сети при отсутствии нагрузки на его вторичных обмотках).

К примеру, тороидальный силовой двухобмоточный трансформатор, мощностью 530 Вт, который я сам, вручную, мотал в 1982 году на сердечнике от сгоревшего бытового переходного 400-ваттного автотрансформатора 127/220 В, называвшегося в торговой сети “Юг-400”, имел следующие параметры:

В = 1,2 Тесла;
n220 = 1100 вит;
d220 = 0,96 мм;
n127 = 635 вит;
d127 = 1,35 мм;
при этом Iхх = 7 (семь!) мА,

что соответствует индуктивности первичной обмотки 100 Генри. Для сравнения. Промышленная обмотка того автотрансформатора содержала 880 витков на 220 вольт.

Не удивительно, что он перегревался, и в конце-концов сгорел. Когда трансформаторы мотают не для себя, а на продажу, то ради денег и в ущерб качеству экономят на всем. Не надо экономить – это, ведь, то же самое, что самому себе гадить. Желаю удачи!

С.Комаров, UA3ALW. г. Москва. РМ-03-17.

Трансформатор

– Расчет тороидального сердечника

Вопрос 6 лет, 3 месяца назад

Изменено 3 года, 6 месяцев назад

Просмотрено 12 тысяч раз

\$\начало группы\$

Несколько дней назад я получил образец тороидального сердечника от моего друга. Я не знаю каких-либо технических деталей сердечника, только знаю, что OD-10 см, ID-6 см, высота- 5 см и сырость около 1,845 кг (класс M4 CRGO). Я хочу сделать тороидальный трансформатор, используя этот сердечник, но как рассчитать площадь сердечника и максимальную мощность ВА сердечника. Я делаю несколько фотографий и прикрепляю.

трансформатор

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Насыщение сердечника является основным ограничивающим фактором, который может потребовать большего количества витков первичной обмотки. Больше витков = намного больше первичной индуктивности (L пропорциональна квадрату витков), а это означает меньший ток намагничивания для данного синусоидального напряжения на первичной обмотке.

Меньший ток магнита означает более низкое насыщение (обратите внимание, что насыщение НЕ связано с прохождением ВА через трансформатор).

Таким образом, меньшему сердечнику требуется больше витков, чтобы избежать насыщения при заданном первичном напряжении, и, конечно же, большее количество витков означает большие потери в меди. Вот почему большие сердечники лучше подходят для номиналов ВА — вы не только можете использовать меньше витков (для получения той же первичной индуктивности), но и поле H меньше. H – ампер-витки на метр, где часть «на метр» – это номинальная средняя длина вокруг тороида (или сердечника).

Да, для сердечника большего размера каждый виток немного длиннее (больше потерь на сопротивление), но чистый эффект заключается в уменьшении потерь в меди, а это означает, что через сердечник может пройти больше ВА.

Но проблема здесь в том, что вы ничего не знаете о материале ядра, поэтому вы не можете предсказать, где на кривой ЧД насыщение может стать проблемой. Это означает, что вы не можете безопасно предсказать ток намагничивания, и вы действительно не знаете, какую индуктивность сердечник производит за виток (поскольку проницаемость сердечника неизвестна).

Все это заставляет меня сказать, что если бы я был на вашем месте, я бы выбросил это в мусор и купил что-то, что указано в технических описаниях. 92). B равно 1 или чуть ниже его. Проверьте характеристики основного материала.

Номинал ВА зависит от того, сколько провода вы можете втиснуть. Тонкий провод = больше витков, больше напряжения, но меньше тока до перегрева и наоборот. Если у вас есть требование изоляции, это также украдет у вас площадь, поэтому VA будет меньше теоретического максимума.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Предназначен для силовой цепи или для распространения слабого сигнала? Кроме того, какой диапазон частот это увидит? Что касается силовой цепи, то лист спецификаций с определенными параметрами определенно заставил бы меня чувствовать себя лучше. Если это касается слабого распространения сигнала, такого как межкаскадная связь, безопасность может иметь гораздо меньшее значение.

Если у вас есть терпение и вы готовы к приключениям, и если у вас есть осциллограф и пара амперметров, вы можете оптимизировать это для частоты и амплитуды напряжения, на которых вы планируете работать (т. таким образом, вы уменьшаете потери в меди, контролируя точность формы волны на вторичной обмотке, проверяя, чтобы убедиться, что вы достигли точки, в которой у вас есть максимальное передаваемое напряжение, прежде чем высокочастотная характеристика начнет страдать в результате увеличения индуктивности с увеличением витков , а затем возвращайтесь обратно, пока не достигнете этой счастливой точки. Для таких небольших ядер приложения почти наверняка рассчитаны на гораздо более высокие частоты, чем 60 Гц. Чем ниже частота, которую вы распространяете, тем больше массы вам нужно в вашем сердечнике для данного количества ампер-витков, иначе у вас будет недостаточно индуктивности, чтобы сдержать весь этот ток, создаваемый постоянным сопротивлением медного провода. Кроме того, если это ферритовый сердечник, он обычно идеально подходит для работы на высоких частотах с целью уменьшения вихревых токов. Я не могу вспомнить, когда в последний раз я видел небольшой тороидальный сердечник, используемый для источника питания, который не использовался в качестве «импульсного источника питания» или иным образом, где рабочая частота была, по крайней мере, в десятки килогерц или, возможно, намного выше.

\$\конечная группа\$

Твой ответ

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

Расчет тороидального сердечника | сделай самАудио

санбадгуджар

Член

15.06.2016 11:55

15.06.2016 11:55

Несколько дней назад я получил образец тороидального сердечника от моего друга. Я не знаю каких-либо технических деталей керна, только знаю диаметр 10 см, диаметр 6 см, высоту 5 см и вес около 1,845 кг во влажном состоянии (марка М4). Я хочу сделать тороидальный трансформатор, используя этот сердечник, но как рассчитать площадь сердечника и максимальную мощность ВА сердечника. Я делаю несколько фотографий и прикрепляю.
помогите пожалуйста.

примерно как
ВА = площадь сердечника в квадрате * макс. поток
для площади 2 см * 5 см = 10 см²
ВА = 10*10*0,75*флюс
для площади 0,7874″ * 1,969″ = 1,55 дюйма²
ВА = 1,55*1,55*31*флюс
флюс в обоих случаях это Тесла. 0,6 для низкого уровня EI, до 1,8 для тороида высокого класса.
Обе формулы относятся к частоте 50 Гц.
Я уверен, что все это есть в трансформере Threads.
Есть некоторое несоответствие в использовании площади в квадрате.
Ожидайте контраргументов.

спасибо за сотрудничество. Но на следующей странице Трансформаторы Часть 2 – Руководство для начинающих по электронике в таблице 11.1 – Типовые характеристики тороидального трансформатора. Отношение массы сердечника к ВА отличается от вашего расчета. Если эта таблица верна, мое ядро от 160 до 225 ВА. Я немного запутался.

Ни один из этих расчетов не является безоговорочно правильным, это только оценки или расчеты только для 1 конкретного случая. Для сердечника всегда верно то, что V/виток=4,44×A×Bmax×f (для синусоиды). Ток×виток всегда зависит от деталей обмотки (коэффициент заполнения, допустимая температура), окружающей среды (температура окружающей среды, поток воздуха), режима использования (постоянная нагрузка или циклическая нагрузка), а также допустимого падения напряжения при предполагаемая схема выпрямителя, поэтому говорить любой номер VA, не зная / не упоминая эти детали, – это ********.

Ток×оборот можно рассчитать двумя способами, в зависимости от типа использования. Если вы хотите использовать его в непрерывном режиме и не заботитесь о регулировании нагрузки (падение напряжения, вызванное нагрузкой), вы можете рассчитать так называемый тепловой номинал. Это более распространенная спецификация, однако она не очень актуальна в случае аудиоусилителей, работающих в классах AB, D, G, H или T. Подходит почти только для класса A при использовании аудио.

Для сильно переменной нагрузки, такой как мощность звука, в большинстве случаев ограничивающим фактором является не нагрев, а падение напряжения. В этих случаях вы должны рассчитать мощность ограничения падения, которая зависит от допустимого коэффициента падения и заполнения.

Для сильно переменной нагрузки, такой как мощность звука, в большинстве случаев ограничивающим фактором является не нагрев, а падение напряжения. В этих случаях вы должны рассчитать мощность ограничения падения, которая зависит от допустимого коэффициента падения и заполнения.

Несколько дней назад я получил образец тороидального сердечника от моего друга. Я не знаю каких-либо технических деталей керна, только знаю диаметр 10 см, диаметр 6 см, высоту 5 см и вес около 1,845 кг во влажном состоянии (марка М4). Я хочу сделать тороидальный трансформатор, используя этот сердечник, но как рассчитать площадь сердечника и максимальную мощность ВА сердечника. Я делаю несколько фотографий и прикрепляю.
помогите пожалуйста.

санбадгуджар сказал:
Дорогой pafi
, что еще вы хотите знать о сердечнике, я думаю, что материал CRGO M4 имеет от 1 до 1,5 Тл / 50 Гц с потерями от 0,8 до 1,2 Вт на кг и шириной полос от 0,25 до 0,29 мм, теперь вы можете помочь.
Нажмите, чтобы развернуть…
сравните ваш сердечник с некоторыми из этих… Тороидальные сердечники из кремниевой стали – есть в наличии
m4 намного лучше, чем m6….. тороидальные сердечники могут работать при более высоких плотностях потока, чем EI, так как практически отсутствуют воздушные зазоры …
использует меньше меди, чем сопоставимый EI…

санбадгуджар
Член
18. 06.2016 13:17
№14
18.06.2016 13:17

Начните с 3 витков на вольт на первичной обмотке. Рисунок 1,5 ампер для номинального тока при 120 вольт и 0,75 для 240 вольт. Или немного толще, чем калибр 20 на 120 вольт или калибр 23 на 240 вольт. Проверьте трансформатор только с первичной обмоткой, намотанной последовательно с лампочкой. Лампа накаливания мощностью 25 Вт должна едва светиться, когда она включена последовательно с первичной обмоткой. Сердцевина может стать теплой на ощупь, если оставить ее на день или около того, но не слишком теплой, чтобы держать ее.
Я уже смотрю это видео на веб-сайте, подробное описание этого видео выглядит следующим образом:
конструкция тороидального трансформатора
На этой странице тороидальный сердечник Максимальное значение ВА определяется простым возведением в квадрат площади сердечника. Это правильный метод для расчета ВА. Благодаря этому методу мой тороидальный сердечник имеет максимальную мощность 100 ВА, но его влажный сердечник составляет 1,8 кг. Может ли влажный сердечник ничего не делать в расчетах. Потому что в сердечнике трансформатора с ламинированием EI влажность почти в два раза больше, чем у тороидального сердечника с тем же номиналом ВА. У меня есть один трансформатор EI мощностью около 180 ВА, его мокрый сердечник без меди составляет 1,9.5kg.Now Как рассчитать мощность Core Mximum VA?
Тороидальная сталь обычно может поддерживать более высокое значение потока, что приводит к более легким сердечникам.
Использование В/виток = 4,44 * площадь * Bмакс. * частота дает 4,44 * 0,02 м * 0,05 м * 1,8 Тл * 50 Гц = 0,3996 В/виток или 2,5 витка/вольт для хорошего стального тороида.
Ряд книг посвящен этому вопросу; Я вытащил это
из книги Готтлиба «Источники питания – Импульсные регуляторы и преобразователи
», которая не обязательно является высоко оцененной книгой
, согласно отзывам читателей на Amazon, и там
наверное лучше.
На сайте www.toroid.com/kits.htm можно найти комплекты тороидальных трансформаторов от 80 ВА до 750 ВА (кажется). И с каждым комплектом в руководстве должна быть информация и изображения того, как намотать и рассчитать первичное и вторичное напряжения. Компания Toriod Corporation of Maryland довольно хорошо известна.
Также в SDS Labs Audio Design БЫЛ раздел инструкций с информацией и фотографиями о том, как кто-то собирал один из этих тороидальных комплектов. Веб-сайт SDS Labs можно найти в разделе «Каталог» ниже на сайте DIYaudio в разделе «Усилители в проектах».
Я имею в виду WAS, потому что я устал заходить на сайт, но получаю сообщение «Страница не найдена». Может быть, они обновляют сайт или что-то в этом роде.
Это книга в мягкой обложке объемом 240 страниц и размером 8-1/2″ X 11″. Он начинается с «Элементарной электромагнетики» (глава 2) и охватывает свойства, конструкцию, дизайн, приложения, примеры и практические вопросы, такие как покупка нового или подержанного, а также испытания и измерения (глава 16).
Добро пожаловать на наш сайт! EDAboard.com — это международный дискуссионный форум по электронике, посвященный программному обеспечению EDA, схемам, схемам, книгам, теории, документам, asic, pld, 8051, DSP, сети, радиочастотам, аналоговому дизайну, печатным платам, руководствам по обслуживанию… и многому другому. более! Для участия необходимо зарегистрироваться. Регистрация бесплатна. Нажмите здесь для регистрации.
Для источников постоянного тока с мостовым выпрямителем и фильтрующей крышкой вы должны исходить из того, что «форм-фактор» ВА/Вт равен 1,6, соответственно 2,0 для однополупериодных выпрямителей. Потери линейных регуляторов напряжения прибавляются.
Зависит от концепции электропитания. Если вы используете импульсные стабилизаторы напряжения или линейные стабилизаторы напряжения для узлов питания с низким потреблением тока, для приложения может работать одна вторичная обмотка.
Зависит от концепции электропитания. Если вы используете импульсные стабилизаторы напряжения или линейные стабилизаторы напряжения для узлов питания с низким потреблением тока, для приложения может работать одна вторичная обмотка.
Почти в каждой отрасли промышленности, от базовых производственных до важных медицинских учреждений и испытательных лабораторий, требуются высококачественные надежные трансформаторы для обеспечения безопасной и эффективной работы. Более крупные объекты требуют большего количества энергии, что означает более надежные трансформаторы для преобразования энергии, поступающей от электростанции, в форму, которую можно использовать для оборудования.
Но для того, чтобы трансформаторы работали эффективно, компаниям необходимо знать, какую мощность могут дать их конкретные трансформаторы. Эту информацию предоставляет номинал трансформатора. Номинал или размер — это уровень мощности трансформатора в киловольт-амперах, обозначаемый кВА. Вам нужно выбрать трансформатор с правильным кВА для ваших нужд. В противном случае вы рискуете повредить свое ценное оборудование. Кажется сложным? Но, к счастью, это не так сложно, как кажется. На самом деле определить размер вашего трансформатора относительно просто. Вам просто нужно использовать простую и понятную формулу для определения требуемой мощности в кВА, используя ток и напряжение вашей электрической нагрузки. Давайте поможем вам узнать, как вы можете рассчитать требуемый рейтинг кВА.
Расчет значения кВА
Трансформаторы бывают двух основных номиналов: вольт-ампер (ВА) и киловольт-ампер (кВА). Трансформатор мощностью 100 ВА может выдерживать 100 вольт при силе тока в один ампер. Точно так же трансформатор мощностью 1,0 кВА (1000 вольт-ампер) может выдерживать 100 вольт при силе тока 10 ампер. Чтобы определить подходящий размер кВА, вам необходимо сделать несколько расчетов на основе вашей электрической схемы.
Вам понадобятся два основных измерения: напряжение (В) и ток (I). Напряжение — это электрическая нагрузка, которая подключается к вторичной обмотке, а ток — это поток, который требуется электрической нагрузке. Оба эти значения можно определить, просто взглянув на электрическую схему. Как только эти два значения будут определены, вы можете использовать их для определения требований к мощности нагрузки. Для этого вам нужно умножить напряжение на нагрузку, а затем разделить число на 1000; следовательно, формула –
(V * I) / 1000
Но число, рассчитанное здесь, будет в киловаттах. Итак, это значение необходимо перевести в кВА (киловольт-ампер). Для этого полученное значение необходимо разделить на «0,8». А почему 0,8, спросите вы. Причина в том, что для запуска устройства обычно требуется больше тока, чем требуется для функционирования. Чтобы учесть это дополнительное текущее требование, целесообразно включить в расчет начальный коэффициент. И хорошее эмпирическое правило здесь состоит в том, чтобы умножить напряжение на силу тока, а затем умножить его на дополнительный пусковой коэффициент 125% (что равносильно делению на 0,8). Итак, формула становится –
[(V * I) / 1000] / 0,8
Значение, полученное в результате приведенного выше расчета, представляет собой необходимое вам значение кВА. Теперь большинство значений кВА представляют собой целые числа, в основном кратные 5 или 10, например, 5 кВА, 10 кВА, 15 кВА, 150 кВА и т. д. Таким образом, когда вы подсчитали значение, вы можете округлить его. до ближайшего «большего» целого числа, чтобы получить соответствующий рейтинг кВА. Наиболее стандартные значения кВА, доступные для трансформаторов, составляют 3, 6, 9, 15, 30, 45, 75, 150, 225, 300, 500, 750 и 1000 кВА. Однако, если вы запускаете свой трансформатор часто, скажем, чаще, чем раз в час, вам потребуется кВА даже больше, чем расчетная мощность. А если вы работаете со специализированными нагрузками, ваши требования к ВА могут быть еще выше. Следовательно, для специализированных применений всегда целесообразно обратиться к профессионалу за советом по правильному значению требуемой мощности кВА.
Расчет значения кВА для трехфазных трансформаторов
Здесь следует отметить, что уравнение для трехфазных трансформаторов немного отличается от уравнения для однофазного обычного трансформатора, о котором говорилось выше. Для трехфазных трансформаторов после того, как вы определили напряжение и ток, вам необходимо умножить два значения, далее умножив значение на константу 1,732, прежде чем делить значение на 1000. Число 1,732 — это квадратный корень из «трех». , усеченное до 3 знаков после запятой, что явно является правильным способом расчета значения для «трехфазного трансформатора». Итак, формула для трехфазного трансформатора становится –
(В * l * 1,732) / 1000
Где найти идеальный трансформатор?
Независимо от размера и типа вашего трансформатора, вы всегда можете сотрудничать с Miracle Electronics, чтобы воспользоваться преимуществами высокопроизводительных высококачественных трансформаторов . Мы предлагаем широкий ассортимент трансформаторной продукции, чтобы обеспечить бесперебойную работу вашего бизнеса. Мы также изготавливаем трансформаторы на заказ в соответствии с вашими уникальными потребностями и спецификациями. Итак, независимо от вашей отрасли, области применения и требований, даже если вы ищете тороидальные трансформаторы более высокой мощности, мы здесь, чтобы предоставить вам большие тороидальные силовые трансформаторы самого высокого качества! Что еще? Каждый трансформатор, произведенный на нашем предприятии, изготовлен из материалов самого высокого качества и проверяется на каждом этапе, поэтому мы с гордостью получаем стандарты RoHS и REACH, что делает нас самых надежных и подлинных производителей тороидальных трансформаторов в Индии !
Трансформаторы
Часть 2 – Руководство для начинающих по электронике
Трансформаторы Часть 2 – Руководство для начинающих по электронике
Эллиот Саунд Продактс Руководство по трансформаторам для начинающих. Часть 2
© 2001 – Rod Elliott
Страница обновлена в марте 2022 г.
Основной индекс Указатель статей
Содержание – Часть 2
Часть 1
Введение
8. Обмотки последовательно и параллельно
8.1 Последовательные соединения
8.2 Параллельные соединения
9. Пример выходного трансформатора клапана
10. Компромиссы
11. Потери
11.1 Потери в железе
11.2 Потери в меди
11.2.1 Плотность тока
11.2.2 Эффект кожи и близости
11.3 Регламент
11.4 Прочие потери, эквивалентная цепь
11,5 Температурные классы
11.6 Напряжение и частота
12. Примеры измерений
12.1 Намагничивающие формы тока
12.2 Пусковой ток
12.3 Скачки напряжения
12,4 Индуктивность
12,5 Индуктивность рассеяния
13. Типы сердечников (тороидальные, C-сердечники, ферриты, E-I, R-сердечники)
13.1 Воздушные зазоры
14 Основные материалы
15 Искажение
16 Повторное использование трансформаторов
16.1 Закороченные витки
17 Трансформаторы тока
17.1 Катушки Роговского
18 Постоянный ток в обмотках трансформатора
19 Автотрансформаторы
Ссылки
Единицы
Магнитная терминология
Часть 3
Часть 4
Введение
Для тех смельчаков, которые проложили себе путь через первую часть – я хвалю вас! Как вы уже поняли, трансформеры в конце концов не просты, но они, вероятно, гораздо более универсальны, чем вы могли себе представить. Однако они представляют собой устройства реального мира и, как таковые, подвержены недостаткам всех реальных компонентов — они несовершенны.
В этом разделе основное внимание будет уделено потерям и расчетам, связанным с проектированием трансформатора, а также более подробно объяснено, в каких случаях следует отдавать предпочтение различным типам сердечников по сравнению с другими. Опять же, невозможно охватить все возможности, но информация здесь поможет вам на пути к полному пониманию предмета.
Первая тема может показаться очевидной, но судя по электронным письмам, которые я получаю, это не так. Трансформаторы могут иметь несколько обмоток, и они могут быть на первичной или вторичной обмотке. Обмотки можно соединять между собой, чтобы делать захватывающие и разные вещи, но с точки зрения безопасности это 9.1133 необходимо , чтобы первичная и вторичная обмотки были разделены.
В этой статье есть несколько ссылок на «закороченные витки». Если любые два витка обмотки закорочены друг на друга, протекание тока ограничивается только сопротивлением постоянному току закороченного участка обмотки. Протекание тока может быть огромным, и даже при одном коротком замыкании трансформатор становится непригодным к эксплуатации и должен быть выброшен или перемотан. Никакой экран или другой проводящий материал не могут быть обернуты вокруг обмотки и соединены, так как это создает короткозамкнутый виток, рассчитанный на сотни ампер. Исключением является магнитный экран, который иногда используется в многослойных трансформаторах E-I, но он оборачивается вокруг всего трансформатора ( 9).1604 снаружи сердечника ) и не считается «витком», так как не находится в окне обмотки с первичной и вторичной обмотками.
Также стоит отметить, что трансформатор ведет себя совершенно по-разному в зависимости от того, питается ли он от источника напряжения (т. е. очень низкого импеданса, такого как транзисторный усилитель или сеть) или от источника тока или промежуточного импеданса. Подробнее об этом будет рассказано далее в этой статье.
Три вещи, о которых нужно помнить всегда…
Поток в сердечнике максимален, когда трансформатор не имеет нагрузки. [Смотрите примечание]
Трансформатор, намотанный для работы на частоте 50 Гц, можно безопасно использовать на частоте 60 Гц (с правильным или даже немного более высоким напряжением).
Трансформатор на 60 Гц потребляет чрезмерный ток намагничивания на частоте 50 Гц и может выйти из строя из-за перегрева.
Примечание. Это практичный корпус при условии нормального использования трансформатора. Теоретически «идеальный» трансформатор с нулевым сопротивлением обмотки будет имеют постоянный поток, независимо от нагрузки – при условии, что входное напряжение постоянно. Поскольку в реальном мире есть реальные трансформеры, поток убавки незначительно с нагрузкой из-за потери напряжения на первичной обмотке трансформатора. Это объясняется более подробно ниже.
Перед повторным использованием любого трансформатора, особенно если он предназначен для другой цели, напряжения или частоты, необходимо убедиться, что он не потребляет чрезмерный ток намагничивания. Худший случай — без нагрузки, и необходимо измерять ток и контролировать температуру в течение достаточно долгого времени, чтобы быть уверенным, что трансформатор не нагревается настолько, что его неудобно держать. Если повышение температуры в режиме ожидания превышает 25°C, трансформатор использовать нельзя. Имейте в виду, что некоторые небольшие трансформаторы все время довольно сильно нагреваются, поэтому иногда вам, возможно, придется делать оценочные суждения, основанные на опыте.
8 Обмотки последовательно и параллельно
Многие трансформаторы поставляются с двумя (или более) вторичными обмотками. Во многих случаях в техпаспорте будет указано, что обмотки могут быть соединены параллельно или последовательно. Например, тороидальный трансформатор может быть рассчитан на 2 x 25 В при 5 А (250 ВА). При параллельном соединении обмоток доступный ток составляет 10 А, но только для одного напряжения 25 В переменного тока. Соедините обмотки последовательно, и вы получите 50 В при 5 А, или, соотнеся центральный отвод с землей, знакомое обозначение 25-0-25.

Рисунок 8.1 – Обмотки последовательно и параллельно
Есть несколько правил, которые применяются к соединениям обмоток – если вы их нарушите, вы можете сломать и ваш трансформатор. Обратите внимание на точки на обмотках — это традиционный способ обозначения начала обмотки, чтобы можно было определить фазу.
Автотрансформаторы
рассматриваются в Разделе 19 ниже. Это особый случай последовательных обмоток, которые обычно используются для получения пониженного напряжения с максимально возможной эффективностью и наименьшими затратами.
Противофазное соединение не повредит трансформатору при последовательном соединении (хотя нулевое напряжение на выходе для одинаковых обмоток несколько ограничено в полезности). Параллельное противофазное соединение разрушит трансформатор, если не перегорит предохранитель, а это произойдет очень сильно. Всегда используйте предохранитель при тестировании, так как простая ошибка может обойтись довольно дорого без какой-либо защиты трансформатора и домашней проводки!
8.1 Последовательные соединения
Обмотки могут быть соединены последовательно независимо от напряжения. Максимально доступный ток соответствует номиналу, указанному для низшая токовая обмотка. Обмотки могут быть соединены так, чтобы увеличивать или уменьшать конечное напряжение. Например, двойные обмотки на 25 В можно соединить так, чтобы получить 50 В или ноль вольт, хотя последнее обычно нецелесообразно 🙂
При соединении обмоток по фазе напряжения складываются, при противофазе – вычитаются. Таким образом, обмотка 50 В, 1 ампер и 10 В, 5 ампер могут быть подключены для обеспечения любого из следующих …
10В @ 5А – Обмотка 10В сама по себе
50В @ 1А – Обмотка 50В сама по себе
60 В @ 1 А – Обмотки 50 В и 10 В, соединенные последовательно и в фазе
40 В при 1 А — обе обмотки 50 В и 10 В, соединенные последовательно и противофазно
Приведенный выше пример был использован исключительно для примера (такой трансформатор не был бы полезен для большинства из нас), но принцип применим для всех напряжений и токов. Последовательные соединения иногда используются и на праймериз, в основном для оборудования, предназначенного для мирового рынка. Существует несколько общих напряжений питания сети, и первичные обмотки соединены в различных комбинациях последовательно и параллельно, чтобы учесть все варианты.
8.2 Параллельные соединения
Параллельное соединение обмоток трансформатора допускается только в одном случае – обмотки должны иметь точно одинаковое выходное напряжение и должны быть соединены по фазе. Разная мощность по току не проблема, но редко можно найти трансформатор с двумя обмотками с одинаковым напряжением, но с разным номинальным током.
Даже разница в 1 В между напряжениями обмотки вызовет большие проблемы. Типичное сопротивление обмотки для обмотки на 5 А может составлять 0,25 Ом. Если две такие обмотки соединить параллельно, имея разность напряжений 1В, то будет циркулирующий ток, ограниченный только сопротивлениями обмоток. Для нашего примера полное сопротивление обмотки равно 0,5 Ом, поэтому между обмотками будет протекать циркулирующий ток в 2А, а это полностью потраченная впустую мощность. Трансформатор неожиданно нагреется, и максимально доступный ток уменьшится на величину циркулирующего тока.
Если обмотки соединены не в фазе, циркулирующий ток может составить 100 А и более, пока не расплавится трансформатор или не перегорит предохранитель. Последнее обычно предпочтительнее.
В спецификациях производителя трансформатора указано, разрешена ли параллельная работа. Если вы не уверены, внимательно измерьте напряжения и избегайте параллельного соединения, если напряжения отличаются более чем на пару сотен милливольт. Разница будет всегда, и предсказать, какой она будет, могут только допуски на обмотки производителя. В тороидальных трансформаторах обмотки часто бывают бифилярными, что означает, что две обмотки наматываются на сердечник трансформатора одновременно. Допуск таких обмоток обычно очень хороший и не должен вызывать проблем.
9 Пример расчета выходного трансформатора клапана
В разделе 1 я описал очень простой выходной каскад двухтактного клапана. Теперь пришло время изучить это немного более внимательно. Мы будем использовать те же напряжения, которые были получены в основном описании раздела 1 — среднеквадратичное напряжение 707 В. Следует сказать, что нижеследующее не предназначено для точного представления клапанов, поскольку потери в реальной жизни несколько выше, чем здесь указано. Это только для примера. Мы также примем (типичные) потери равными 10% и соответствующим образом отрегулируем вторичное сопротивление.
Для управления 8-омным громкоговорителем требуется ламповый (ламповый) усилитель. Первичное сопротивление (называемое сопротивлением пластины для двухтактного усилителя) составляет 6000 Ом, а напряжение питания — 600 В. С учетом потерь 100 В на каждом клапане максимальное колебание напряжения на пластинах (анодах) клапанов составляет 1 кВ от пика до пика (или фактически 2 кВ от пика к пику на первичной обмотке трансформатора). Какова выходная мощность?
Вторичное сопротивление будет 7,2 Ом, исходя из 10% потерь …
Zs = 8/1,1 = 7,2 Ом
Сначала рассчитывается коэффициент импеданса …
Z = 6000 / 7,2 = 833
Теперь можно определить соотношение оборотов
N = √833 = 28,8 (29:1)
Соотношение напряжений такое же, как и соотношение витков, поэтому пиковое напряжение на динамик составляет
Vs (размах) = Vp / N = 2000 / 29 = 69 В
Чтобы преобразовать это в среднеквадратичное значение. ..
Vp = 1/2 Vp-p = 34,5 В
RMS = пиковое значение × 0,707 = 24 В
Следовательно, мощность равна 24² / 8 = 72 Вт.
Обратите внимание, что при каждом расчете цифры округлялись до ближайшего (или следующего наименьшего) целого числа. Это было сделано для удобства, но то, как я это сделал, также дает консервативную оценку, которая с большей вероятностью будет встречаться на практике.
Ой! Извините, но был немного неприятным для этого времени суток.
Немного неприятно или нет, но это разумное представление реальности конструкции выходного трансформатора, но, естественно, реальные (в отличие от моих «придуманных» цифр) будут заменены. Обычно потери на выходных клапанах часто намного больше, чем указано здесь. но это зависит от используемых ламп (и топологии – триоды ведут себя совсем иначе, чем пентоды или тетроды).
Чтобы завершить этот раздел и представить вышеизложенное в перспективе, я включил несколько рисунков (взятых из руководства по техническим данным Miniwatt 1972 года) для мощного пентода EL34/6CA7 — одного из самых популярных выходных ламп в мире.
Класс Режим ¹ Табличка
Вольт Пластина
Ток Экран
Вольт Экран
Ток Сетка
Смещение Нагрузка
Полное сопротивление Мощность
Выход Comments
Class-A S-E 250 100 265 15 -13V 2,000 11 Вт Питание пластины = 265 В, THD ² 10 %
Класс AB P-P 375 2 x 75 ³
2 x 95 365 2 x 11,5
2 x 22,5 -19 В 3400 (п-п) ⁴ 35 Вт Резистор смещения катода 130 Ом, резистор с общим экраном, 470 Ом, THD 5 %
Класс B P-P 775 4 x 2 400 2 x 3,0
2 x 19 -39 В 11 000 (п-п) 100 Вт Питание пластин, 800 В, THD 5 %
Класс A
(триод) S-E 375 70 – – -25 В 3000 6W Катодный смещение резистора 370 Ом, экран, привязанный к пластине, 400 В. – – -28 В 5000 (п-п) 16 Вт Экран, закрепленный на пластине, резистор смещения катода 220 Ом, коэффициент нелинейных искажений 3%
Таблица 9.1. Сокращенные данные для силового пентода EL34
1 S-E: Single Ended, P-P: Push-Pull
2 THD – Total Harmonic Distortion (this is for the valves only, and does not include transformer distortion)
3 Первая цифра – без нагрузки, вторая – полная мощность
4 размах: Полное сопротивление между пластинами
Как легко заметить, искажения конфигураций S-E гораздо хуже, чем у двухтактных версий. Не только это, но (для поддержания актуальности 🙂 трансформаторы больше и сложнее в конструкции, и даже тогда они будут хуже, чем их двухтактные аналоги. В конфигурации с максимальной эффективностью выходная мощность составляет 100 Вт, а искажения по-прежнему ниже, чем в любой из несимметричных конфигураций. Потери на выходной лампе в этом режиме составляют около 58 В, но значительно выше для любой из версий с катодным смещением, как и следовало ожидать.
Это будет рассмотрено в другой статье о конструкции ламповых усилителей.
10 Компрометация
Очень важно, чтобы сердечник не насыщался (см. ниже), так как не будет непрерывного синусоидального изменения потока, сильно уменьшится противо-ЭДС и будет потребляться чрезмерный ток – особенно на холостом ходу. Окончательная конструкция любого трансформатора — это огромный компромисс, и существует тонкая грань между трансформатором, который обеспечивает приемлемую регулировку, и трансформатором, который становится слишком горячим, чтобы его можно было трогать без нагрузки.
Несколько удивительно, но плотность потока в сердечнике фактически уменьшается с увеличением тока нагрузки, потребляемого от вторичной обмотки. Несмотря на то, что первичный ток потребляет больше тока, он передается на вторичный, а оттуда на нагрузку – это , а не вызывает увеличение плотности потока. Плотность потока уменьшается в основном из-за сопротивления первичной обмотки, что приводит к уменьшению эффективного первичного напряжения. Любое напряжение, потерянное из-за сопротивления (помните закон Ома?), — это напряжение, которое «теряется» в трансформаторе и не выполняет никакой функции в процессе преобразования. Это приводит к тому, что трансформатор нагревается (или нагревается сильнее), чем без нагрузки. Подробнее об этом см. в следующем разделе.
Также должны быть учтены нормальные колебания сетевого напряжения. Трансформатор, работающий на самом пределе насыщения при номинальном напряжении питания, будет перегреваться, если сеть находится на верхнем (нормальном) пределе. Трансформатор, предназначенный для работы на пределе, будет иметь лучшую регулировку по сравнению с более консервативной конструкцией, но это не имеет большого значения, если он выйдет из строя из-за перегрева при нормальном использовании.
Для аудиотрансформаторов компромиссов еще больше.
11 Потери
Как обсуждалось ранее, трансформатор является реальным компонентом и, следовательно, имеет потери. Они делятся на два основных типа, но есть и другие «скрытые» потери. Все потери снижают эффективность и влияют на частотную характеристику. Нижний предел частоты определяется первичной индуктивностью, и она пропорциональна площади (и, следовательно, массе) сердечника трансформатора. Высокочастотные потери вызваны вихревыми токами в сердечнике (см. ниже), а также индуктивностью рассеяния и емкостями обмотки.
Ни один из них не может быть устранен, но путем тщательного выбора материала сердечника, типа обмотки и эксплуатационных ограничений их можно уменьшить до уровня, при котором трансформатор способен выполнять требуемую от него работу.
11.1 Потери в железе (основной части)
Потери в сердечнике частично являются результатом тока намагничивания, который должен постоянно заставлять магнитное поле в сердечнике меняться в обратном направлении в соответствии с приложенным сигналом. Поскольку направление потока постоянно меняется, сердечник трансформатора подвержен явлению, называемому гистерезисом, показанному на рис. 11.1.9.0005

Рисунок 11.1 – Петля гистерезиса
Когда магнитодвижущая сила в магнитном материале меняется на противоположную, остаточный магнетизм (остаточная намагниченность, также известная в некоторых случаях как остаточная) в сердечнике пытается оставаться в своем предыдущем состоянии до тех пор, пока приложенный поток не станет слишком большим (коэрцитивная сила). Затем он изменится на противоположный, и одна и та же ситуация будет повторяться дважды для каждого цикла приложенного переменного тока. Мощность, необходимая для того, чтобы заставить поток изменить направление, представляет собой потери на гистерезис, которые, хотя обычно малы, все же значительны. Я не собираюсь вдаваться в подробности, но поиск в Интернете, без сомнения, даст больше информации, чем вам когда-либо понадобится.

Рисунок 11.2 – Кривая B-H
Как видно из двух рисунков магнитного поля, плотность потока (B) зависит от напряженности приложенного магнитного поля (H). В показанном примере «колено» кривой совпадает с точкой, в которой проницаемость начинает падать. Кроме того, для увеличения плотности потока требуется все большее изменение магнитного поля. Это насыщение, и большинство трансформаторов рассчитаны на работу на уровне колена или ниже. Выше колена опасно, так как небольшое увеличение приложенного напряжения не вызовет необходимого увеличения противо-ЭДС, а первичный ток будет увеличиваться непропорционально росту напряжения. Другими словами, трансформатор будет слишком чувствителен к приложенному напряжению и, возможно, самоуничтожится, если сетевое напряжение будет даже немного выше нормального. Если такой трансформатор намотать на 60 Гц, а использовать на 50 Гц, выход из строя неизбежен.

Рисунок 11.3 – Трансформатор
, вид в разрезе
Показанный трансформатор относится к типу «разборных катушек» с отдельными секциями на каркасе для первичной и вторичной обмоток. Это уменьшает емкость между обмотками, а также обеспечивает защитный барьер между первичной и вторичной обмотками. Для некоторых применений это единственный метод намотки, отвечающий стандартам безопасности. Также очень просто добавить электростатический экран между обмотками – вырезается плоская пластина из тонкого металла, чтобы ее можно было надеть на бобину, и изолируются концы, чтобы не создавался закороченный виток. Он соединен с землей и предотвращает емкостную связь шума между обмотками. Логично было бы разместить экран на вторичной стороне делителя шпульки в целях безопасности.
Кроме того, существуют так называемые потери на вихревые токи. Это небольшие циркулирующие токи внутри магнитного сердечника, как показано (преувеличенно) на рис. 11.4, и они вызывают нагрев самого материала сердечника. Каждый из этих вихретоковых контуров действует как крохотный короткозамкнутый виток трансформатора, а для уменьшения эффекта сердечник ламинирован – т.е. сделан из тонких листов стали, изолированных друг от друга. Чем тоньше слои, тем меньше потери на вихревые токи, но они никогда не будут устранены. Потери на вихревые токи увеличиваются с увеличением частоты, требуя различных методов для работы на высоких частотах, и являются основной причиной потерь в стали в любом трансформаторе.

Рисунок 11.4 – Вихревые токи в пластинах
Вихревые токи показаны для трех толщин ламинирования. Хотя это и не показано (для ясности), токовые петли постоянно перекрываются, и их количество фактически бесконечно. Толстые пластины позволяют увеличить петли, и, следовательно, секция пластины разрезается большим количеством магнитных «силовых линий», поэтому токи (и потери) больше. Для высоких частот (выше 10 кГц), как правило, невозможно сделать пластины достаточно тонкими, чтобы предотвратить чрезмерные потери, и предпочтительны ферритовые материалы. Они эффективно содержат огромное количество невероятно маленьких магнитных частиц, изолированных друг от друга, а петли вихревых токов действительно очень малы. Тем не менее, ферритовые материалы обычно используются для энергетических приложений с частотой до нескольких сотен килогерц, прежде чем потери снова станут слишком большими.
Потери в стали обоих типов являются основным источником потерь в любом трансформаторе, работающем без нагрузки или с небольшой нагрузкой. На холостом ходу плотность потока в сердечнике достигает максимального значения для любой заданной комбинации приложенного напряжения/частоты. Силовые трансформаторы обычно проектируются для работы ниже колена кривой насыщения (это важно для тороидальных трансформаторов) с достаточным запасом прочности, чтобы сердечник никогда не насыщался.
Насыщение приводит к резкому снижению проницаемости (и, следовательно, индуктивности) и вызывает непропорциональное увеличение первичного тока по отношению к увеличению напряжения. Там, где можно было бы надеяться на хорошую синусоидальную форму волны тока с низким уровнем искажений, значительное искажение формы волны тока происходит, когда сердечник начинает насыщаться.
Поскольку нагрузка потребляется от вторичной обмотки, первичная должна давать больший ток, а это означает, что сопротивление первичной обмотки становится значительным. Любое напряжение, «потерянное» из-за сопротивления обмотки, фактически больше не является частью приложенного напряжения, поэтому магнитный поток в сердечнике уменьшается.
Например, если первичное сопротивление составляет 5 Ом, а первичный ток нагрузки составляет 2 А при 230 В, на сопротивлении обмотки теряется 10 В, поэтому эффективное первичное напряжение уменьшается до 220 В. Это уменьшает ток намагничивания, но эффект не является линейным. Это во многом зависит от того, насколько близко к насыщению работает ядро без нагрузки, и разница может быть как минимальной, так и существенной, в зависимости от конструкции.
11.2 Потери в меди
Следуя предыдущему пункту, потери напряжения на сопротивлении обмотки представляют собой потери в меди, и все такие потери должны отводиться в виде тепла. Рассмотрим тот же трансформатор, что и выше, на холостом ходу с 230 В на первичной обмотке. Первичное сопротивление может быть порядка 5 Ом (трансформатор около 300 ВА), а ток холостого хода может составлять 20 мА. Потери определяются по формуле нормальной мощности и в данном случае составляют …
P = I² × R = 0,02² × 5 = 2 мВт
В = R × I = 5 × 0,02 = 100 мВ
Во всех смыслах и целях полное напряжение 230 В подается на первичную обмотку. Когда трансформатор загружен, это меняется. Допустим первичный ток 2А и снова посмотрим на цифры…
P = I² × R = 2,00² × 5 = 20 Вт
В = R × I = 5 × 1,00 = 10 В
Теперь эффективное первичное напряжение составляет всего 220 В, так как 10 В «теряются» из-за сопротивления обмотки. Естественно, если напряжение меньше, плотность потока тоже должна быть меньше. Мощность, теряемая в первичной обмотке, должна рассеиваться в виде тепла, поэтому трансформатор начнет нагреваться. Помните, что во вторичной обмотке будут дополнительные потери, которые добавят тепла, которое необходимо рассеять.
Минимизация потерь в меди как в первичном, так и во вторичном контуре имеет важное значение, но есть пределы того, чего можно достичь. Они определяются доступным пространством для обмотки и тем, сколько меди производитель может разместить в этом пространстве. По-прежнему необходимо делать поправку на изоляцию и производственные допуски.
Вы можете видеть, что на рис. 11.3 обмотки показаны уложенными друг на друга. Конечно, можно сделать более эффективную намотку, используя «долины», минимизируя высоту намотки и допуская более тяжелые обмотки. Ах, если бы жизнь была так проста! Обмотки традиционно выполняются слева направо, затем справа налево, поэтому витки в каждом слое находятся под небольшим углом относительно слоя ниже или выше. Следовательно, невозможно правильно использовать ендовы между витками обмотки, и если бы вы намотали трансформатор, исходя из ошибочного предположения, что это сработает, готовая обмотка не поместилась бы в окно.
Для обычной многослойной конструкции (т. е. первичная обмотка находится ближе всего к сердечнику, а вторичная — сверху) мы также должны предусмотреть изоляцию между первичной и вторичной обмотками, а в некоторых случаях между слоями более крупных трансформаторов используется дополнительная изоляция из-за большого разность напряжений между внешними пределами каждой обмотки. Это еще один набор компромиссов, которые необходимо сделать, и все они означают, что обмотки должны быть тоньше, чем нам хотелось бы, и, таким образом, увеличиваются потери.
Поскольку провод любой длины имеет сопротивление, всегда будет сопротивление обмотки. Чем больше сопротивление для данного тока, тем больше мощности рассеивается в виде тепла – это полные потери. На холостом ходу (при условии, что насыщение исключено) потерь практически нет, поскольку токи малы, но по мере увеличения вторичного тока увеличиваются и потери в меди.
11.2.1 Плотность тока
Плотность тока, допустимая для медных обмоток, несколько изменчива. Плотность тока относится к току в амперах на единицу площади провода, например, 2,565 А/мм² (эталонный стандарт, используемый в Австралии и, предположительно, в других странах). Увеличение плотности тока имеет большой эффект – оно заставляет провод нагреваться сильнее при заданном токе. В больших силовых распределительных трансформаторах необходимо учитывать боковые силы, вызванные магнитными полями, возникающими между каждым витком, особенно в условиях короткого замыкания, когда эти силы могут быть разрушительными. Не существует такого понятия, как «типичная» плотность тока, потому что разные производители используют разные критерии проектирования. В общем случае лучше поддерживать плотность тока ниже 3,0 А/мм², а еще лучше — 2,5 А/мм². Естественно, более низкая плотность тока означает, что трансформатор больше и тяжелее, чем трансформатор, работающий при высокой плотности, и, в конечном счете, все это является компромиссом между повышением температуры и стоимостью.
Для многих трансформаторов, используемых в аудио, часто можно ожидать, что плотность тока будет несколько выше, чем хотелось бы. Это связано с тем, что не требуется исключительно высокая производительность, а спрос на обычный музыкальный программный материал имеет довольно низкое среднее значение. В результате трансформаторы для усилителей мощности (например) редко работают при длительной полной нагрузке – они, скорее всего, будут работать с краткосрочными перегрузками, но, возможно, с 50% полной нагрузкой в долгосрочном среднем при работе на начало отсечения с «типичным» программным материалом.
Я провел несколько измерений имеющихся у меня трансформаторов и обнаружил, что, в частности, с тороидальными трансформаторами наблюдается общая тенденция. Плотность тока первичной обмотки сравнительно низкая, в среднем около 2,1 А/мм², в то время как все вторичные обмотки используют гораздо более высокую плотность тока — около 4,8 А/мм². Это имеет смысл, потому что вторичная обмотка находится снаружи и имеет преимущество в лучшем охлаждении, чем первичная. Первичная обмотка может отводить тепло только от через вторичную обмотку , которая стоит между обмоткой и охлаждающим воздухом. Это может быть меньшей проблемой для ядер E-I, потому что ядро само по себе действует как радиатор (хотя и не очень эффективный).
Маленькие трансформаторы, скорее всего, будут работать при более высокой плотности тока, чем большие, и это отражается в том, что они нагреваются сильнее и (почти всегда) хуже регулируются. Плотность тока до 3,5 А/мм² типична для некоторых небольших трансформаторов. Одна из причин этого заключается в том, что становится чрезвычайно трудно уместить необходимое количество витков в разрешенное пространство. Основная причина заключается в том, что требования к изоляции не меняются, поэтому изоляция занимает больший процент пространства обмотки в небольших трансформаторах, чем в более крупных.
Гитарные усилители (и любые другие усилители, которые регулярно работают с сильными искажениями) должны иметь трансформатор, рассчитанный на , по крайней мере, , вдвое превышающий номинальную выходную мощность 10% THD. Таким образом, для усилителя с номинальной мощностью 100 Вт как минимум требуется трансформатор на 200 ВА. Это особенно важно для ламповых усилителей, потому что они уже работают при более высокой температуре окружающей среды, чем обычно, из-за тепла от самих ламп. К сожалению, это регулярно игнорируется, в результате чего некоторые усилители имеют репутацию выжигающих сетевые трансформаторы.
Обратите внимание, что скин-эффектом можно пренебречь для трансформаторов сетевой частоты (50/60 Гц), но он представляет собой серьезную проблему для высокочастотных переключающих трансформаторов. Они здесь не рассматриваются — информация в этой статье основана почти исключительно на трансформаторах, используемых на низких частотах, где скин-эффект практически не влияет.
Потери в меди являются основным источником потерь при любой заметной мощности трансформатора. Обычные выпрямители, используемые в источниках питания полупроводниковых усилителей, вызывают более значительное сопротивление, чем это могло бы быть в противном случае. См. «Проектирование линейного источника питания» для получения более подробной информации об этих потерях, из-за которых регулирование оказывается намного хуже, чем ожидалось.
В конечном счете, потери в меди ограничивают мощность трансформатора. Поскольку все потери в меди приводят к теплу, это становится ограничивающим фактором, поэтому, как только вы достигаете точки, когда повышение температуры не может быть ограничено безопасным значением, размер сердечника необходимо увеличить. Это позволяет производителю использовать меньше витков на Вольт, а больший сердечник имеет больше места для обмоток. Таким образом, размер провода можно увеличить, так что потери в меди вернутся к точке, при которой перегрев больше не является проблемой. Этот процесс продолжается от самых маленьких трансформаторов к самым большим – каждый размер определяется номиналом ВА и допустимым повышением температуры.
Охлаждение трансформатора всегда полезно. При повышенных температурах срок службы изоляции сокращается, а сопротивление еще больше увеличивается, так как медь имеет положительный температурный коэффициент сопротивления. Когда трансформатор нагревается, его сопротивление увеличивается, что увеличивает потери. Это (естественно) приводит к большим потерям, из-за которых трансформатор нагревается сильнее. Существует реальный риск резкого сокращения срока службы (или даже локализованного теплового разгона в «горячих точках»), если какой-либо трансформатор перегружен слишком далеко, особенно при недостаточном (или заблокированном) охлаждении.
Принято считать, что у любого трансформатора одна часть обмотки (по разным причинам) горячее остальных. Также существует эмпирическое правило, согласно которому ожидаемый срок службы изоляции (среди прочего) уменьшается вдвое при повышении температуры на каждые 10°C (некоторые утверждают, что даже на 7°C). При сочетании этих двух факторов становится очевидным, что любой трансформатор, работающий при стабильно высокой температуре, в конечном итоге выйдет из строя из-за пробоя изоляции. Вероятность того, что это произойдет с домашней системой, невелика, но это постоянный риск для силовых распределительных трансформаторов. Несмотря на все это, трансформаторы с железным сердечником сетевой частоты, как правило, служат дольше продукта, который они питают, и даже переработанные трансформаторы могут легко пережить свое второе или третье воплощение. После того, как трансформатору исполнится более 50 лет, я предлагаю заземлить шасси, так как в таком возрасте уже нельзя доверять изоляции.
Вентиляторное охлаждение может значительно увеличить эффективную номинальную мощность трансформатора в ВА, но не улучшает регулирование. Большие распределительные трансформаторы почти всегда имеют масляное охлаждение, и теперь они начинают использовать растительные масла, потому что они менее склонны к возгоранию и оказывают минимальное воздействие на окружающую среду в случае утечки охлаждающей жидкости или другой серьезной неисправности.
11.2.2 Эффект кожи и близости
Скин-эффект хорошо известен (и используется производителями кабеля со змеиным маслом), но практически не имеет отношения к звуковым частотам. С импульсными трансформаторами питания это реальная проблема, и наиболее распространенным способом минимизировать влияние является параллельное использование нескольких небольших (изолированных) проводов, обычно связанных и скрученных в единую прядь, похожую на веревку. Его обычно называют литцендратом, и его использование снижает потери на скин-эффект, поскольку пучок проводов имеет сравнительно большую площадь поверхности (или «поверхности»).
Обычно вы почти ничего не слышите (если слышите) о так называемом эффекте близости, но он относится к (часто хаотическому) нарушению тока в проводнике, когда этот проводник погружен в сильное магнитное поле. Для небольших трансформаторов (возможно, менее 2 кВА) мало доказательств того, что это вызывает какие-либо проблемы, но в более крупных трансформаторах это может вызвать локальный нагрев, поскольку ток вынужден использовать гораздо меньшее поперечное сечение провода, чем ожидалось. Использование литцендрата снова снижает эффект близости и может иметь решающее значение для предотвращения поломки. Эффект близости может снизить способность проводить ток гораздо более резко, чем скин-эффект, и на гораздо более низких частотах.
Таким образом, эффект близости потенциально может вызвать локальные тепловые проблемы «горячих точек», которые ухудшают изоляцию и в конечном итоге вызывают отказ. Это особенно проблематично, когда ток трансформатора сильно искажен, и это неизменно имеет место, когда трансформатор используется с мостовым выпрямителем и фильтрующими конденсаторами.
Несмотря на вышеизложенное, почти наверняка будет идентифицируемый незначительный локальный нагрев, но, как уже отмечалось, маловероятно, что это приведет к сокращению срока службы любого трансформатора, используемого для аудио или других приложений, представляющих интерес для любителей или типичных коммерческих продуктов. Учитывая легендарную надежность трансформаторов, большинство из которых переживут продукт, эффект близости, кажется, никогда не приводил к преждевременному выходу из строя. Большинство отказов трансформаторов являются результатом гораздо более приземленных нарушений, таких как постоянные длительные перегрузки.
Тем не менее, эффект близости действительно вызывает отказы в больших распределительных трансформаторах, а также, как говорят, приводит к отказам двигателей. Эти сбои почти всегда связаны с сильно искаженной формой волны сетевого тока и могут быть связаны с одной промышленной установкой. Я предлагаю читателю не волноваться по этому поводу – вы даже не знали об этом до сих пор.
11.3 Постановление
Потери в меди отвечают за стабилизацию трансформатора – отношение напряжения без нагрузки к полной нагрузке. Регулирование почти всегда определяется резистивной нагрузкой, что, учитывая то, как почти все используют трансформаторы, практически бесполезно. Редко какой-либо трансформатор работает на чисто резистивную нагрузку – подавляющее большинство будет использоваться с выпрямителем и фильтрующими конденсаторами, и цифра производителя ничего не стоит. На самом деле, это хуже, чем бесполезно, так как это вводит непосвященных в заблуждение, ожидая большего напряжения, чем они получат под нагрузкой, и вызывает у людей огорчение, когда они пытаются понять, почему их усилитель (например) выдает меньшую мощность, чем ожидалось.
Естественно, есть люди, для которых любое измерение святотатство, поэтому к ним все это не относится
Выходное напряжение (почти) всегда указывается при полной нагрузке в сопротивлении. Таким образом, трансформатор 50 В, 5 А будет давать выходное напряжение 50 В при синусоидальном выходном токе 5 А. Если регулирование этого трансформатора было 4%, каково напряжение холостого хода?
Ответ: 52В. Регуляция определяется довольно просто из формулы…
Рег% = ( В _Н – В _л ) / В _л × 100 / 1
Где V _N — вольт без нагрузки, а V _L — вольт под нагрузкой.
Как определено ранее, это предполагает синусоидальный выходной ток, чего не происходит с нагрузкой выпрямителя/фильтра. Можно обнаружить, что этот же трансформатор имеет кажущуюся регулировку от 8 до 10% при питании такой нагрузки. Дополнительную информацию по этой теме см. в разделе «Проект линейного источника питания» (нет смысла повторять статью дважды 🙂
Регулировка нагрузки выпрямителя – сложная тема, но вам нужно знать ее последствия до того, как вы начнете строить свой последний шедевр, чтобы потом не узнать, что вся ваша работа привела к гораздо более низкой выходной мощности, чем вы ожидали. Не то чтобы вы могли изменить его для любого данного трансформатора, но, по крайней мере, вы будете знать, чего ожидать.
Чтобы получить полное представление о регулировании, требуется гораздо больше информации, чем я могу предоставить на простой веб-странице, но решающим фактором является правильный баланс сопротивлений обмоток. Если вы делаете свой собственный трансформатор, вы, конечно, сделаете это, но будет ли производитель (на «дальнем востоке») утруждать себя? Я не собираюсь обсуждать этот момент. Если мы определим из спецификации, что регулирование составляет (скажем) 6% для трансформатора приемлемого размера (около 500 ВА), мы сможем выяснить все, что нам нужно знать.
Зная регулировку и напряжение, мы можем рассчитать эффективное сопротивление обмотки. Трансформатор на 50 В с регулировкой 6% даст нам 53 В без нагрузки, а 500 ВА при 50 В означает 10 А — все очень просто. Мы теряем 3В при полном токе, поэтому общее эффективное сопротивление обмотки должно быть…
R _w = V / I = 3 / 10 = 0,3 Ом
Половина этого сопротивления приходится на вторичную обмотку, а другая половина отражается от первичной обмотки в зависимости от коэффициента импеданса. Как вы помните, это квадрат отношения напряжений. Если принять первичное напряжение 230 В, выходное напряжение 50 В при 10 А, мы уже знаем, что 9Выходное напряжение 1604 без нагрузки составляет 53В. Таким образом, витки и коэффициенты импеданса (TR и ZR соответственно) составляют . ..
TR = V _IN / V _OUT = 230 / 53 = 4,34:1
ZR = TR² = 4,34² = 18,83:1
Зная это, мы можем определить оптимальное сопротивление обмотки для каждой обмотки. Поскольку половина сопротивления отражается от первичной обмотки (R _p ), вторичное сопротивление (R _s ) составляет 0,15 Ом, что составляет половину от общей. Первичное сопротивление должно быть …
R _p = R _s × ZR = 0,15 × 18,83 = 2,82 Ом
На основе всего этого разработчик теперь может определить соответствующий калибр провода для количества витков, необходимого для размера сердечника. В идеальном случае резистивные (медные) потери должны быть как можно ближе к одинаковым для обеих обмоток, поэтому мы и рассчитывали сопротивление. При полной нагрузке рассеяние (потери в меди) составляет 15 Вт на каждую обмотку (почти точно) при полной нагрузке. Таким образом, общее рассеивание составляет 30 Вт, а КПД трансформатора равен 94,3% . ..
Eff (%) = P _Out / P _tot × 100 / 1 = 500 / 530 × 100 / 1 = 94,34%
Это может быть неочевидно сразу, но есть очень веская причина сохранять равными первичные и вторичные потери в меди. Любой сердечник имеет лишь ограниченное пространство для обмоток, и это пространство необходимо использовать максимально эффективно. Из этого следует, что если одна обмотка толще, чем необходимо, другая должна быть тоньше, чтобы поместиться в разрешенном пространстве. Это неизменно приводит к большим потерям, чем если бы сопротивление было оптимизировано, как описано. В случае тороидальных трансформаторов есть веская причина сохранять первичные потери ниже , чем вторичные потери, потому что первичная обмотка заключена внутри вторичной обмотки, и тепло может уйти только через внешние слои. Тороидальный сердечник также не выполняет функции радиатора, поскольку находится внутри всех обмоток.
4 0,34074
4 1,3
4 1,5474 3,507
VA Reg % R _p Ω – 230V R _p Ω – 120V Diameter Высота Масса (кг)
15 18 195 – 228 53 – 62 60 31
30 16 89 – 105 24 – 28 70 32 0,46474
50 14 48 – 57 13 – 15 80 33 0,65
80 13 29 – 34 7,8 – 9,2 93 38 0,90
120 10 15 – 18 4,3 – 5,0 98 46
160 9 10 – 13 2,9 – 3,4 105 42
225 8 6,9 – 8,1 1,9 – 2,2 112 47 1,90
300 7 4,6 – 5,4 1,3 – 1,5 115 58
500 6 2,4 – 2,8 0,65 – 0,77 136 60
625 5 1,6 – 1,9 0,44 – 0,52 142 68 9,3074 9,3074
800 5 1,3 – 1,5 0,35 – 0,41 162 60 5,10
1000 5 1. 0 – 1.2 0.28 – 0.33 165 70 6.50
Table 11.1 – Typical Toroidal Transformer Specifications
Первичное сопротивление для всех примеров в приведенной выше таблице было рассчитано с использованием показанного метода — это значение редко указывается производителями. Сопротивление показано как для первичных обмоток 230 В, так и для 120 В. Знание основ на этом уровне часто очень удобно — вы можете определить приблизительную номинальную мощность трансформатора, просто зная его вес и первичное сопротивление. Вторичное сопротивление можно рассчитать по первичному сопротивлению и коэффициенту витков. Результат, полученный при использовании номинального коэффициента трансформации (на основе указанных первичных и вторичных напряжений), является достаточно точным для большинства целей. Как видно из предоставленного диапазона, сопротивление первичной обмотки может быть на 15 % ниже расчетного, чтобы уменьшить плотность тока в первичной обмотке. (См. «Повторное использование трансформаторов» для другой таблицы, охватывающей более широкий диапазон номиналов ВА.)
Снова возьмем пример 500 ВА и предположим, что первичная обмотка 230 В и двойная вторичная обмотка 50 В (всего 100 В), общее сопротивление вторичной обмотки составляет …
TR = V _p / V _s = 230 / 100 = 2,3
ZR = TR² = 5,29
Если первичное сопротивление 2,8 Ом (из таблицы), то вторичное сопротивление должно быть примерно…
R _s = R _p / ZR = 2,8 / 5,29 = 0,53 Ом
Сопротивление каждой половины вторичной обмотки естественно половина от общего.
Примечание: Из-за общепринятой практики использования разных плотностей тока для внутреннего (первичного) и внешнего (вторичного) провода это приведет к небольшому искажению приведенных здесь цифр. Цифры, определенные выше, основаны на теоретическом «идеальном» случае, но это редко воплощается в реальность из-за неизбежных «факторов выдумки», которые применяются к деталям реального мира. Основные тесты, которые я провел, показывают, что приведенные выше цифры более чем удовлетворительны для быстрой проверки ожидаемых сопротивлений. Как очень простое правило, ожидайте, что первичное сопротивление будет немного меньше расчетного, а вторичное сопротивление будет немного выше.
11.4 Другие потери, эквивалентная цепь
Поскольку трансформатор не является идеальным устройством, он имеет нежелательные свойства помимо описанных выше потерь. Другие потери относительно невелики для силового трансформатора, но становятся трудными для управления трансформаторами, предназначенными для широкой полосы пропускания, такими как микрофонные трансформаторы и ламповые выходные трансформаторы.
Стандартная эквивалентная схема , а не включает частотно-зависимые помехи, такие как скин-эффект или эффект близости. Он также не включает никаких средств для имитации нелинейного тока намагничивания в силовом трансформаторе. Таким образом, он ограничен общим моделированием небольших сигнальных трансформаторов, выходных трансформаторов ламповых усилителей (но только на низких уровнях и/или более высоких частотах) и т. п. Хотя его все еще можно использовать с силовым трансформатором, результаты, как правило, бесполезны. Силовые трансформаторы обычно требуют замеров для подтверждения общей работоспособности, а нас интересуют только низкие частоты — 50Гц и 60Гц.

Рисунок 11.5 – Упрощенная эквивалентная схема трансформатора
Эквивалентная схема, показанная на рис. 11.5, сильно упрощена, но служит для иллюстрации основных моментов. Поскольку обмотки обычно многослойные, между каждым слоем и каждым витком должна быть емкость (С1 и С2). Это вызывает фазовые сдвиги на высоких частотах, и на некоторой частоте трансформатор будет «саморезонансным». Это не проблема с силовыми трансформаторами, но вызывает затруднения, когда требуется широкополосный аудиотрансформатор.
Кроме того, часть магнитного поля не остается в самом ядре. Это создает индуктивность «рассеяния» (L _L ), которая эффективно включена последовательно с трансформатором. Несмотря на то, что он небольшой, он, как правило, влияет, в частности, на высокие частоты, и особенно проблематичен для выходных аудиотрансформаторов. Обычно это измеряется измерителем индуктивности с короткозамкнутой выходной обмоткой. Любая возникающая индуктивность является прямым результатом потока рассеяния.
Lp — первичная индуктивность, и, как видите, параллельно имеется резистор (Rp). Это представляет собой фактический импеданс (без нагрузки), подаваемый на источник входного напряжения, и моделирует потери в железе. Последовательное сопротивление (Rw) — это просто сопротивление обмотки, представляющее потери в меди, как описано выше.
C _p-s – это межобмоточная емкость, и для силовых трансформаторов может вносить основной вклад в шум на выходе. Это особенно утомительно, когда трансформатор питает систему Hi-Fi, а сетевой шум проникает и издает ужасные щелчки, электронные «пуки», вой электродвигателя и различные другие нежелательные шумы в музыке. Тороидальные трансформаторы в этом отношении намного хуже обычных (E-I) трансформаторов из-за большой площади каждой обмотки. Электростатический экран почти устранит такие шумы, но они дороги и редко встречаются с тороидами (жаль).
Эта проблема возникает всегда, когда емкость между первичной и вторичной обмотками высока — электрические помехи на первичной обмотке емкостно связаны между первичной и вторичной обмотками. Как отмечалось выше, это может привести к тому, что сетевой шум проникнет через весь блок питания и в крайних случаях в усилитель. Электростатический экран очень эффективен, и он связан с землей. Обратите внимание, что экран нельзя соединить по полной окружности вокруг обмотки, так как это создаст короткозамкнутый виток, который приведет к протеканию огромного тока и сожжению трансформатора.
Существует метод, который используется для ламповых выходных трансформаторов, показанный на рис. 11.6. Этот метод не используется в силовых трансформаторах, так как он совершенно не нужен и резко увеличивает первично-вторичную емкость.

Рисунок 11.6 – Перемежающаяся обмотка для расширенного ВЧ отклика
Хитрость в обмотке трансформаторов для минимизации индуктивности рассеяния обмотки и собственной емкости называется «чередованием», но это приводит к гораздо большей емкости между обмотками. Наиболее распространенный способ выполнения чередующейся обмотки — использование многосегментной обмотки, как показано на чертеже в разрезе на рис. 11.6. Этот тип обмотки является (или был) довольно распространенным для высококачественных ламповых выходных трансформаторов, и расширение частоты в верхней части звукового спектра очень заметно.
Емкость между первичной и вторичной обмотками может стать проблемой при использовании этого метода, и, хотя это возможно, электростатический экран (на самом деле может потребоваться несколько электростатических экранов) значительно увеличивает стоимость, но создает минимальную общую выгоду. Этот метод намотки не используется (или не требуется) с низкочастотными силовыми трансформаторами и приведет к значительному снижению электробезопасности из-за сложности изоляции каждой секции от следующей. Та же проблема существует и с выходным трансформатором, но им легче управлять, поскольку одна сторона вторичной обмотки заземлена, а внутренний постоянный ток уже изолирован от сети.
11,5 Температурные классы
Сумма всех потерь приводит к увеличению температуры трансформатора. Изоляционные материалы (проволочная эмаль, межслойная изоляция, каркасы и/или бобины, намотка ленты и т. д.) имеют пределы максимальной безопасной температуры. Неудивительно, что высокотемпературные материалы значительно дороже, чем низкотемпературные марки, и, как всегда, существует компромисс (компромисс) между минимизацией потерь на охлаждение или уменьшением размера и веса за счет больших потерь. и работа при более высоких температурах.
Существует несколько международно признанных температурных классов, а также один, признанный властями, но обозначение класса не является общепринятым. Температура указывается либо как абсолютный максимум, либо как повышение температуры, либо как то и другое. Стандартные классы …
Класс Макс. Темп. Повышение температуры
А 105 °С 60 °С
Е 120 °С 75 °С
В 130 °С 80 °С
F 155°C 100°C
H 180–200 °C 125 °C
C (не глобально *) 220 °C 160 °C
* Класс C не является общепризнанным классом, но 220°C допускается несколькими мировыми стандартами.
Нагрев используемых трансформаторов неизбежен, и разработчик оборудования должен обеспечить, чтобы класс изоляции был достаточным для надежной работы в течение всего срока службы оборудования. Если не указано иное, вы можете ожидать, что почти все серийные трансформаторы, предназначенные для самостоятельного применения, будут класса А (максимальная температура 105°C). Более высокие температуры в любом случае не рекомендуются по той простой причине, что трансформатор, нагретый, скажем, до 100°C, будет передавать свое тепло транзисторам, электролитическим конденсаторам и всем другим компонентам в шасси. Только по этой причине использование трансформатора большего размера, чем необходимо, не только снижает температуру, но и улучшает регулирование.
11.6 Напряжение и частота
Все силовые трансформаторы рассчитаны либо на определенное входное напряжение и частоту, либо на ограниченный диапазон. Часто используются двойные первичные обмотки, которые позволяют пользователю соединять обмотки последовательно или параллельно, как показано на рис. 8.1, но на первичной, а не на вторичной обмотке. Наиболее распространенная конфигурация состоит из двух обмоток, каждая из которых рассчитана на 120 В. Для сети 120 В они подключаются параллельно, а для сети 230/240 В — последовательно.
Иногда первичные обмотки рассчитаны на 115 В каждая. Это уже давно является проблемой в США, и в течение многих лет никто точно не знал, какое напряжение составляет 110, 115, 117 или 120 В. Согласно стандартам США, номинальное напряжение сети в США и Канаде составляет 120 В, но во всем остальном оно варьируется от одного места к другому и в зависимости от времени суток. Все силовые трансформаторы должны быть намотаны, чтобы учесть это неизбежное отклонение. (Обратите внимание, что в США также используется «двухфазная» система, обеспечивающая 240 В при частоте 60 Гц — это , а не аналогично использованию двух фаз трехфазного соединения, где напряжение составляет 208 В при 60 Гц.)
Хотя в настоящее время распространены только две обмотки, раньше трансформаторы имели несколько ответвлений на первичной обмотке или использовали несколько обмоток, которые могли быть соединены загадочным образом с помощью сложной системы переключения. Они все еще существуют, но в основном в качестве предметов спасения. Предлагаемый диапазон напряжений предназначался для охвата любой точки мира, но также мог привести к неправильному предположению и перегоревшим предохранителям (или сгоревшему трансформатору).
В конечном счете, заявленное напряжение трансформатора проверить проще всего – паспортная табличка всегда соответствует действительности. Я никогда не видел трансформатор, заявленный как 230 В (или другое напряжение), который не работал бы должным образом при этом напряжении. Больше беспокойства вызывает рейтинг частоты. Хотя это обычно указывается, это иногда сбивает с толку непосвященных.
Трансформатор, рассчитанный на 50 Гц, можно использовать в любой точке мира — он отлично заработает на частоте 60 Гц. Однако обратное неверно . Трансформатор, разработанный специально для 60 Гц, перегреется при 50 Гц, даже если напряжение правильное! Это не совсем понятно и приводит к огромному количеству трафика в Usenet и на страницах форумов повсюду. Ответ довольно прост – 60 Гц на 20% больше, чем 50 Гц, поэтому количество сердечника и витков на вольт можно уменьшить на 20% по сравнению с трансформатором 50 Гц того же номинала.
Таким образом, трансформатор, рассчитанный на 60 Гц при напряжении 220/230 В (на Филиппинах, в Южной Корее и некоторых других странах используется эта комбинация ^[Ref] ) имеет сердечник меньшего размера и меньше витков, чем трансформатор 50 Гц с идентичным номиналом. В результате он, скорее всего, выйдет из строя при 220 В при частоте 50 Гц. Работа силового трансформатора 60 Гц на частоте 50 Гц составляет точно , то же самое, что и работа трансформатора на его номинальной частоте, но с увеличением напряжения на 20%. Если вам абсолютно необходимо запустить трансформатор 60 Гц на 50 Гц, вы должны уменьшить напряжение сети от номинального значения (скажем, 230 В) на 20% (184 В). Это большое падение, превышающее нормальные допуски на колебания сети, которые предусмотрены в правильно спроектированных цепях.
Если не уменьшить напряжение, трансформатор сильно перейдет в состояние насыщения, и он может запросто потреблять половину своей номинальной ВА (или больше) на холостом ходу из-за чрезмерного тока намагничивания, вызванного насыщением сердечника. Излишне говорить, что вторичное напряжение также уменьшится на такой же процент. Доказательства увеличения тока из-за насыщения активной зоны см. в следующем разделе (в частности, на рис. 12.1.1).
Работа трансформатора 60 Гц на частоте 50 Гц фактически аналогична увеличению сетевого напряжения на 20 %, но обратите внимание, что это , а не означает, что вторичное напряжение увеличено. Для трансформатора на 230 В это то же самое, что и при частоте 60 Гц, но при напряжении питания 276 В. Сердечник будет серьезно насыщен, и ток намагничивания резко возрастет.
Если силовой трансформатор предназначен для лампового усилителя, необходимо соблюдать осторожность, поскольку нагреватели ламп будут работать от более низкого, чем обычно, напряжения (6,3 В будет только 5 В) и могут не достичь надлежащей рабочей температуры. Выходная мощность также снижается, а снижение напряжения на 20% снизит максимальную мощность, скажем, со 100 Вт до 64 Вт, то есть чуть менее чем на 2 дБ. Это также означает, что все нерегулируемые источники питания предусилителя будут на 20% ниже. В регулируемых источниках падения может быть достаточно, чтобы ИС регулятора позволили выпрямленному сетевому напряжению пройти к сигнальным цепям.
Информацию о том, как можно уменьшить напряжение питания (в данном случае на 46 В), см. в статье Понижающие трансформаторы. Хотя описанные методы, безусловно, работают, другие компромиссы, на которые вам придется пойти, почти наверняка означают, что трансформатор придется заменить, чтобы сохранить первоначальные характеристики.
Если у вас есть трансформатор, рассчитанный на 240 В при 50 Гц, и вы хотите использовать его при более низком напряжении и/или 60 Гц, тогда нет проблем. При использовании на 120 В 60 Гц трансформатор будет работать с исключительно низким током намагничивания, но вторичные напряжения, очевидно, будут уменьшены вдвое. В то время как максимальный номинальный ток остается прежним, регулирование будет хуже, чем у трансформатора, намотанного для сети 120 В, потому что сопротивление обмотки выше.
Короче говоря, вы можете управлять …
Трансформатор 50 Гц на 60 Гц без потери производительности при правильном напряжении
Трансформатор 50 Гц на 60 Гц при напряжении питания до 20 % выше номинала, указанного на паспортной табличке
трансформатор при любом напряжении ниже номинала, указанного на паспортной табличке. Нет никаких ограничений, кроме тех, которые налагает здравый смысл
Трансформатор 60Гц на 50Гц, при условии, что напряжение питания на 20% ниже номинального напряжения
Точно так же вы не можете управлять …
Трансформатор 60 Гц на 50 Гц при полном номинальном напряжении
трансформатор при любом напряжении выше номинала, указанного на паспортной табличке, если тщательные испытания не покажут, что это будет безопасно (маловероятно)
Обратите внимание, что я просто предположил 20% в обоих направлениях (от 50 Гц до 60 Гц и от 60 Гц до 50 Гц), хотя ясно, что сокращение от 60 Гц до 50 Гц на самом деле составляет 17%. Не стесняйтесь думать о дополнительных 3% как о запасе прочности.
12 Измерения образцов
Я измерил характеристики небольшой группы трансформаторов, чтобы получить сравнительные данные. Я исключил из этого регулирование, так как сложно сделать подходящую переменную нагрузку, а нагрузки имеют тенденцию сильно нагреваться даже при кратковременном использовании. Большинство производителей предоставят эту информацию в своих спецификациях, но имейте в виду, что это относится к резистивной нагрузке, и регулирование будет намного хуже при питании от обычного выпрямителя и фильтрующего конденсатора (более подробно см. ). Также стоит отметить, что измеритель индуктивности часто малопригоден для больших трансформаторов с железным сердечником, если только он не работает с синусоидальным сигналом на расчетной частоте трансформатора (или близкой к ней). Показанные индуктивности рассчитаны, так как значения, измеренные моим измерителем, сильно отличаются.
Имейте в виду, что указанное значение индуктивности является номинальным, основанным на токе намагничивания (который фактически искажен для большинства трансформаторов), и намного ниже реального значения. Он включен только в качестве ориентира – фактическое значение будет намного выше, но только при более низком первичном напряжении, которое гарантирует, что ядро далеко от насыщения. Производители не указывают эту цифру, потому что в реальном мире она бессмысленна.
Тип Номинал Индуктивность Сопротивление Обороты/Вольт Намагничивание Потери в сердечнике Реактивное сопротивление Масса (кг)
Toroidal 500VA 34.7 H 2R4 2 22mA 5.28W 10.91k ohms 5.0
Тороидальный 300 ВА 63 H 5R1 3 12 мА 2,88 Вт 7 7 4 4 75 мс мс
E-I 350VA 4. 36 H 6R6 2 175mA 42W 1.37k ohms 3.2
Table 12.1 – Measured Characteristics of Some Transformers
Тороидальные трансформаторы являются явными лидерами, в частности, с точки зрения потерь в сердечнике, но следует сказать, что протестированный трансформатор E-I не является представителем большинства. Это один из немногих оставшихся, которые я сделал специально для своего дизайна, и они были специально разработаны для расширения пределов насыщения ядра. Эти трансформаторы довольно сильно нагреваются без нагрузки, но дают лучшую стабилизацию, чем более консервативная конструкция — подавляющее большинство таких трансформаторов. На самом деле они были спроектированы так, чтобы работать чуть выше «колена» кривой B-H для используемых ламинатов, и, хотя это несколько рискованно, ни один из них не вышел из строя (насколько мне известно) с тех пор, как они были сделаны около 20 лет назад. Я использовал пару из них в своей системе Hi-Fi, и они ежедневно использовались в течение 10 лет (впоследствии 4-канальный усилитель был заменен на версию с немного меньшей мощностью). Идея создания таких трансформаторов возникла у меня давно, когда я делал свои собственные трансформаторы для гитарных и басовых усилителей. В то время я провел несколько тестов и обнаружил, что, придавив сердечник немного сильнее, я могу сделать трансформатор с лучшим регулированием, чем все, что я мог купить у любого из существующих производителей. У меня никогда не было выхода из строя трансформатора.
Также стоит отметить, что масса ниже, чем у трансформатора более «традиционной» конструкции — ожидается, что обычная конструкция той же номинальной мощности будет весить около 5 кг.

Рисунок 12.1 – Ток в зависимости от напряжения для трансформатора E-I
Чтобы довести свои измерения до логического предела, я измерил ток намагничивания моего образца E-I трансформатора. Посмотрите внимательно на график на рис. 12.1, и вы увидите типичную кривую BH (как показано на рис. 11.2, но с перевернутыми осями). Как видите, при входном напряжении 240 В трансформатор работает на изломе кривой и находится на пути к насыщению. Не было смысла делать это для тороидалов, так как они работают намного ниже уровня насыщения, и я не смог бы (удобно) их измерить.
Тороиды
обычно имеют более выраженное колено и, соответственно, более крутой рост тока после достижения предела насыщения. В первую очередь это связано с полностью закрытым магнитным трактом, в котором вообще нет воздушных зазоров. Многослойные трансформаторы E-I имеют небольшой, но значительный зазор в месте соединения пластин «E» и «I». Это неизбежно в любом практическом трансформаторе, но мало влияет на производительность в реальной жизни.
12.1 Кривые намагничивающего тока
Для этих измерений я использовал тороидальный трансформатор на 300 ВА, но не тот, который использовался для данных в таблице 12.1. Кажется, в Сети очень мало обсуждается или показывается фактический (в отличие от теоретического или воображаемого) тока намагничивания. Истинное значение этого параметра изменяется более или менее линейно до точки, где сердечник приближается к насыщению, но очень часто силовые трансформаторы проектируются так, что они уже находятся в нелинейной части кривой BH для нормальной работы.
В то время как эта область обычно намного ниже истинного насыщения, форма волны тока уже сильно искажена, потому что пики сетевого напряжения вызывают увеличение потока до его максимального значения, поэтому дополнительный ток потребляется на пике формы волны переменного тока, смещенном на 90 °. Это показано ниже для тороидального трансформатора 240 В, 300 ВА, работающего при четырех различных напряжениях… первое (A) значительно ниже насыщения при 120 В, второе (B) при номинальном входном напряжении (240 В), третье (C ) при несколько большем напряжении (280В) и последний (D) при избыточном сетевом напряжении (290В). Трансформатор рассчитан на номинальное напряжение 240В.

Рисунок 12.1.1 – Ток намагничивания в зависимости от тока. Входное напряжение
Ток намагничивания составляет приятные 7,3 мА при входном напряжении 120 В, а при напряжении 240 В наблюдаются признаки насыщения, но ток по-прежнему составляет всего 42 мА. При дальнейшем увеличении напряжения насыщение явно значительно увеличивается – при 280 В трансформатор потребляет 443 мА, но даже небольшое дальнейшее увеличение до 290 В приводит к тому, что ток резко возрастает до 1,6 А – , что превышает номинальную мощность трансформатора в режиме непрерывной работы без нагрузки . Если вы внимательно посмотрите на рисунок 12.1.1.A, то заметите, что форма волны слегка асимметрична. Это указывает на то, что в сердечнике, вероятно, имеется некоторый остаточный магнитный поток с момента последнего использования трансформатора.
Вольт-ампер, рассеиваемый в первичной обмотке трансформатора, определяется как VA = V * I, поэтому при 240 В трансформатор потребляет всего 10 ВА, поднимаясь до 124 ВА при 280 В и довольно внушительных 464 ВА при 290 В. Предполагая типичное сопротивление первичной обмотки 4,7 Ом для трансформатора мощностью 300 ВА, потери мощности в первичной обмотке при каждом напряжении (по очереди) составляют 250 мкВт, 8,2 мВт, 0,9Вт и 12 Вт при 290 В.
Как видно из графиков (B, C и D), ток сильно нелинейный, поэтому его нельзя скорректировать на коэффициент мощности. Хотя это распространенная ошибка, совершаемая во всем Интернете, нелинейная форма сигнала не может быть скорректирована с учетом коэффициента мощности путем добавления конденсатора. В лучшем случае вы, , могли бы добавить конденсатор, который создает фильтр, который снижает пиковый ток и очень незначительно улучшает коэффициент мощности, но он будет эффективен только в одном месте и/или при одном напряжении. Любой такой фильтр будет зависеть от импеданса сети и в целом гарантированно ухудшит ситуацию, а не улучшит ее.
Добавление конденсатора для коррекции коэффициента мощности будет работать только в том случае, если размер цоколя позволяет потреблять опережающий ток около 14 мА (для этого трансформатора). Это единственная линейная часть тока намагничивания, вдвое превышающая ток «хорошей синусоиды», потребляемый при напряжении 120 В. Истинный ток намагничивания представляет собой линейную функцию напряжения, основанную на реактивном сопротивлении обмотки. Это означает, что конденсатор емкостью около 180 нФ вряд ли будет полезен (хорошо, это совершенно бессмысленно).
Фактический потребляемый ток намагничивания (включая ток, вызванный насыщением сердечника) является нелинейной функцией, и его чрезвычайно сложно смоделировать, если у вас нет доступа к симулятору, который правильно обрабатывает железные сердечники. Хотя такая вещь может существовать для разработчиков трансформаторов, я не видел ни одной симуляции, которая была бы хотя бы близкой к реальности, как показано выше. Обратите внимание, что это реальные захваченные формы сигналов от реального трансформатора, подключенного к высокомощному вариаку. Как вы можете видеть, форма кривой тока насыщения остается практически неизменной после полного насыщения сердечника, но величина увеличивается экспоненциально с увеличением напряжения.
При подаче 290 В пиковый ток составляет около 5 А (2 А на деление экрана). Вы увидите, что вертикальное разрешение менялось для каждого снимка, а текущий монитор также имеет переменное усиление для максимизации разрешения. Вот почему измеренный ток может отличаться от показаний на осциллографе, но показания в вольтах были преобразованы в мА.
Когда трансформатор нагружен сопротивлением, кривые напряжения и тока равны в фазе . Вопреки распространенному мнению, трансформатор с линейной нагрузкой (то есть резистивная нагрузка) , а не , создает отстающий коэффициент мощности, за исключением небольшого вклада тока намагничивания. Как мы видим из вышеизложенного, это незначительно. Я протестировал тот же трансформатор с нагрузкой 16 Ом на одной из вторичных цепей с номинальным напряжением 20 В, и входное напряжение и кривая тока были идеально синфазны на любом входе — от менее 5 В до полного номинального первичного напряжения.
12.2 Пусковой ток
При включении многие трансформаторы потребляют очень большой начальный ток. Это явление может быть незаметным для трансформаторов меньшего размера, но по мере увеличения размера компонента (выше ~300 ВА) оно имеет место в большинстве случаев. Вы можете увидеть, как свет на мгновение тускнеет, когда включается большой трансформатор, и теперь вы знаете, почему. Сердечник насыщается при подаче питания, поэтому потребляется очень большой ток, пока не установится нормальная работа (примерно после 20 полных сетевых циклов). Величина пускового тока складывается из нескольких факторов…
Полярность и величина напряжения сети при выключении
Полярность и величина напряжения сети на переключателе на
В какой степени сердечник размагничивался между событиями
Трансформаторный тип (тороидальный пусковой ток больше, чем сердечник E-I)
Сопротивление первичной обмотки трансформатора и сети – обратно на подстанцию
Чем дольше трансформатор остается обесточенным, тем меньше остаточный поток и тем меньше вероятность чрезмерно высокого пускового тока. Это хорошая теория, но на практике она не имеет никакого практического значения. Гораздо важнее точка на осциллограмме сети, где фактически подается питание. Если сеть подается при пиковом значении, пусковой ток минимален. И наоборот, если сеть подключена к точке пересечения нуля, пусковой ток будет максимальным – это прямо противоположно тому, что вы могли бы ожидать, и показано ниже. Пусковой ток длится несколько циклов и значительно усугубляется выпрямителем и фильтрующим конденсатором на выходе. Конденсатор представляет собой короткое замыкание при разрядке, а большие конденсаторы заряжаются дольше. Пусковой ток от заряда конденсаторов , а не , асимметричный — эта привилегия зарезервирована для насыщения ядра при включении питания.

Рисунок 12.2 – Пусковой ток трансформатора
Выше показан осциллограф тока в трансформаторе E-Core мощностью 200 ВА, когда питание подается при пересечении нуля сетевым сигналом. Это наихудший случай, который может привести к начальному всплеску тока, который ограничен только сопротивлением обмотки и проводки сети. Для большого тороида пиковые токи могут легко превысить 150 А. Если сеть подается на пике формы волны переменного тока (325 В в странах с 230 В переменного тока, 170 В, где сеть имеет напряжение 120 В), пиковый пусковой ток для одного и того же трансформатора обычно снижается до менее чем 1/4 значения для наихудшего случая. .. 4,4 А (оба могут быть измерены с хорошей воспроизводимостью для тестируемого трансформатора).
Как видите, пусковой ток имеет одну полярность (он может быть как положительным, так и отрицательным), поэтому на сеть накладывается кратковременное «постоянное напряжение». Другие трансформаторы, которые уже запитаны, также могут насыщаться (и часто рычать) во время пускового периода. Это часто называют «симпатическим взаимодействием». Чтобы свести к минимуму влияние пускового тока и эффектов натекания на другое оборудование, любой тороидальный трансформатор мощностью более 300 ВА должен использовать схему плавного пуска, подобную той, что описана в Проекте 39. .
12.3 «Скачки напряжения»
Термин «бросок напряжения» часто обсуждается, но очень немногие люди, использующие этот термин, имеют хоть малейшее представление о том, что он может означать или как он может быть создан. Это стало чем-то вроде универсальной фразы, которую можно использовать, чтобы убедить клиента в том, что его оборудование, вероятно, вышло из строя из-за упомянутого «скачка напряжения». В действительности, они могут (и случаются) происходить в случае серьезной неисправности в системе распределения (например, высоковольтная подача соприкасается с «нормальным» распределительным источником 230 В или 120 В или удар молнии поблизости). Однако чаще всего это просто способ убедить покупателя, что это его вина, и забыть о каких-либо гарантиях. (Конечно, это часто также приводит к продаже «кондиционера питания» по завышенной цене, который может спасти или не спасти оборудование от будущих «скачков напряжения»).
Однако вы, , можете получить всплеск напряжения (мне не нравится этот термин, потому что он слишком неконкретный), просто отключив трансформатор, если переключатель немного ненадежен и не может чисто отключить питание. Электрическая дуга всегда будет возникать при размыкании переключателя, но если переключатель старый и изношенный, вы можете легко получить дугу, которая больше и опаснее, чем обычно. Если это произойдет, трансформатор с радостью передаст все, что происходит в его первичной обмотке, во вторичную. В основном, это не проблема, потому что есть либо значительная нагрузка, либо, в случае усилителей мощности, мощный блок фильтров после выпрямителя. Это поглотит любое «избыточное» напряжение без значительного повышения напряжения постоянного тока. Использование электролитического колпачка с высоким напряжением пульсаций – очень плохая идея, и (помимо скачка напряжения) колпачок выйдет из строя из-за избыточного пульсирующего тока, но это используемая тестовая схема …

Рисунок 12.3 – Цепь проверки трансформатора на перенапряжение
Следующая кривая была снята с преднамеренно заниженным конденсатором после выпрямителя – в данном случае всего 10 мкФ, с параллельным резистором 2,2 кОм. Испытательный трансформатор представлял собой блок на 12 В, 1 А и обеспечивал пиковое напряжение на крышке 18 В. Как видите, пиковое напряжение может легко достигать 24В (пик). Использование трансформатора с большей выходной мощностью, очевидно, приведет к большему пику. Обычно вы никогда не будете использовать такой маленький конденсатор, и даже для маломощного источника питания вы ожидаете не менее 220 мкФ, а обычно намного больше. Однако это было (очевидно) сделано в очень старой инструкции по применению National Semiconductor (более недоступной) и привело к отказу микросхемы регулятора. Было (опять же, видимо) определено, что имело место какое-то загадочное взаимодействие тока намагничивания трансформатора и остаточного магнетизма сердечника, но это совсем не так.

Рисунок 12.4 – «Бросок» напряжения трансформатора
Когда трансформатор питается от нестабильного (отрицательного) импеданса, такого как дуга, он может (и, вероятно, будет) реагировать на своей собственной резонансной частоте и может довольно легко генерировать напряжение, которое намного превышает номинальное напряжение сети, и на гораздо более высокой частоте, определяемой самим трансформатором. С маленьким трансформатором сложно (но не невозможно) построить полезную дугу, а с большим может быть довольно легко – конечно, многое зависит от самого трансформатора. Помните, что трансформатор связывает все, что происходит на его первичной обмотке, со вторичной, и наоборот. Предел этого устанавливается индуктивностью рассеяния, но эффект легко виден на приведенной выше кривой, и не может быть никаких сомнений в том, что использование конденсатора меньшего размера может вызвать «неожиданные последствия». Из-за действия трансформатора любое напряжение (бросок или другое), которое вы видите на вторичной обмотке должен также присутствовать на первичном, что определяется коэффициентом трансформации. Это также было измерено и проверено, но здесь не показано.
Обратите внимание, что этот эффект ненадежен – для захвата показанного пика потребовалось несколько попыток, поэтому легко (ошибочно) предположить, что схема будет в порядке. Все, что ему нужно, это правильная (или неправильная) комбинация времени выключения по отношению к току трансформатора и переключатель, который допускает дугу при ее размыкании. Трансформатор также должен подвергаться очень легкой нагрузке или холостому ходу в это время. Большинство схем не имеют этого условия, поэтому проблемы возникают очень редко.
Использование дополнительного конденсатора 33 мкФ параллельно с 10 мкФ уменьшило максимальный пик, который я наблюдал, примерно до 23 В, но без конденсатора напряжение достигало 60 В в течение 32 мкс на резисторе 2 кОм. Это мгновенная мощность резистора 1,6 Вт. Мне удалось это только один раз, но если бы я продолжал попытки, это неизбежно случилось бы снова. Наихудший скачок напряжения, который вы получите, зависит от самого трансформатора. Некоторые из них будут производить большой импульс, в то время как другие могут генерировать не более чем небольшой шум.
По самой своей природе дуга является нестабильным состоянием, и ее невозможно предсказать. Однако совершенно очевидно, что всплеск напряжения может произойти и действительно происходит. Это не то, что обычно вызывает проблемы с разумными схемами, но это, безусловно, необходимо учитывать, если вы делаете что-то необычное. Вам потребуется , чтобы обеспечить некоторую дополнительную схему, чтобы гарантировать, что пик поглощается без чрезмерного «скачка напряжения», особенно если выход подает что-либо чувствительное (IC, затвор MOSFET и т. д.). Диод TVS (ограничитель переходного напряжения) или пара встречно-параллельных стабилитронов могут использоваться для ограничения напряжения в наихудшем случае, возможно, до 24 В или около того, если это необходимо для вашей схемы.
12,4 Индуктивность
Индуктивность сетевого трансформатора обычно не входит в его спецификации. Это меняется, если он предназначен для импульсного источника питания или для аудиосвязи. Для приложений с нормальной частотой сети значение, которое нас интересует, представляет собой ток намагничивания. Как показано выше на рис. 12.1.1, ток намагничивания является нелинейным, поэтому, если вам нужно знать индуктивность, вы должны провести измерение при напряжении, которое значительно ниже номинального первичного напряжения. Если у вас есть способ контролировать форму волны тока, вы можете убедиться, что нет признаков насыщения при испытательном напряжении (см. Проект 139).или пр.139А для подходящих мониторов тока).
Зная напряжение и силу тока, можно рассчитать импеданс, а на его основе вычислить индуктивность…
X L = V / I (где V — среднеквадратичное значение напряжения, а I — среднеквадратичное значение тока)
L = X L / ( 2π × f ) (где f — применяемая частота)
Например, трансформатор, который я использовал для получения осциллограмм на рис. 12.1.1, потребляет 7,31 мА при сетевом напряжении 120 В при частоте 50 Гц.
X L = 120 / 7,31 = 16,41 кОм
L = 16,41 к / (6,283 × 50) = 52,25 Генри
Это интересная “показатель достоинства”, но на самом деле она ни для чего не полезна. Конечно, если вам нужна катушка индуктивности 52H, вы можете использовать первичную обмотку, чтобы получить ее, но помните, что она начнет насыщаться при токе не более 10 мА. Если вы попытаетесь использовать его для звука, искажения будут довольно высокими даже при более низких токах, особенно когда частота снижается ниже 50 Гц. Кроме того, индуктивность почти наверняка будет нелинейной. Индуктивность тестового трансформатора упала до 42Гн при напряжении 35,2В и токе 2,64мА.
Хотя вообще это бесполезно, важно понимать, что отношение индуктивности трансформатора основано на квадрате отношения витков. Трансформатор с первичной обмоткой 50Гн и соотношением витков 10:1 имеет индуктивность вторичной обмотки 500мГн. Это может быть полезно знать, если вы хотите поиграть с сетевыми трансформаторами в обратном порядке (чтобы получить повышение), но в целом это бесполезно и не очень полезно. Это то, что вам, возможно, когда-нибудь понадобится знать, и оно отражает отношение импеданса, также основанное на квадрате отношения витков.
Как отмечалось выше, индуктивность является частью спецификации для импульсных источников питания и аудиотрансформаторов. Это потому, что они работают несколько иначе, чем сетевые или другие трансформаторы. Одной из общих черт является то, что следует избегать насыщения, и, как и в случае с сетевыми трансформаторами, насыщение ухудшается без нагрузки. При той же выходной мощности импульсный трансформатор будет намного меньше, чем обычный трансформатор, работающий на частоте 50 или 60 Гц. Типичные рабочие частоты находятся в диапазоне от нескольких кГц до 100 кГц и более. Приблизительно, необходимый размер трансформатора будет уменьшаться вдвое при каждом удвоении частоты (и, конечно, наоборот), но есть много других факторов, которые также необходимо учитывать. Полное обсуждение этого путь вне цели этой статьи.
12,5 Ом Индуктивность рассеяния
Индуктивность рассеяния вызвана магнитным потоком, который не охватывает как первичную, так и вторичную обмотки. Вещи, которые влияют на это, включают материал сердечника, геометрию сердечника, топологию обмотки и воздушные зазоры (преднамеренно или нет). Он показан в виде отдельной малой индуктивности, включенной последовательно с сопротивлением обмотки (см. рис. 11.5) и является паразитным элементом. Для большинства трансформаторов это нежелательная характеристика, но в некоторых топологиях с переключаемыми режимами она фактически используется как часть схемы. Детали этого (неудивительно) не являются частью этой статьи.
Тороидальные сердечники обычно имеют наименьшую индуктивность рассеяния сетевых трансформаторов (например, 50/60 Гц), поскольку обмотки охватывают сердечник, а сам сердечник не имеет воздушных зазоров. Низкое значение индуктивности рассеяния не является обязательным для трансформаторов сетевой частоты, но поддержание низкого уровня утечки помогает предотвратить возникновение напряжения и тока в шасси и/или близлежащих проводах из-за паразитных магнитных полей. Я измерил как первичную, так и вторичную индуктивность рассеяния с несколькими трансформаторами, которые у меня были под рукой, и получил следующие результаты.
# Secondary VA Primary Secondary Construction
1 12,6 2 762 мГн 2,35 мГн E-I
2 15-0-15 80 6,4 мГн 130 мкГн Тороидальный
3 25-0-25 160 1,8 мГн 180 мкГн Тороидальный
4 28-0-28 200 8 мГн 570 мкГн E-I
5 30-0-30 300 1,63 мГн 115 мкГн Тороидальный
Таблица 12.2 – Измеренная индуктивность рассеяния для образцовых трансформаторов
Теоретически (замечательная вещь) индуктивность рассеяния вторичной обмотки можно рассчитать, если знать значение первичной обмотки. Это прямо пропорционально квадрату соотношения витков, поэтому для № 2 выше соотношение витков составляет 230/30 (две обмотки по 15 В) или 7,7: 1 на основе номинальное напряжение (в отличие от фактического соотношения витков). При первичной индуктивности рассеяния 6,4 мГн расчетная вторичная утечка составляет 108 мкГн. В действительности соотношение витков будет ближе к 7:1, чтобы обеспечить регулировку трансформатора (напряжение без нагрузки около 33 В, что близко к ожидаемому).
Теперь формула дает точное вычисленное число . Теперь возникает вопрос: «Как вообще можно измерить индуктивность рассеяния?» Это несложно, если у вас есть измеритель индуктивности, потому что вы просто измеряете первичную индуктивность при короткозамкнутой вторичной обмотке. «Идеальная» часть трансформатора теперь не учитывается, и вы измеряете индуктивность рассеяния. Небольшие трансформаторы могут быть проблематичными, потому что сопротивление обмотки может быть настолько высоким, что это сбивает счетчик, давая нереально высокие показания.
Другой метод заключается в использовании синусоидального аудиогенератора и осциллографа или милливольтметра переменного тока. Измерьте первичное сопротивление (вам это нужно для справки) и используйте резистор от генератора, , по крайней мере, , в десять раз превышающий измеренное первичное сопротивление. Замкните накоротко вторичную обмотку (обмотки), затем установите генератор на (очень) низкую частоту (рекомендуется ~ 10 Гц) и измерьте напряжение на трансформаторе. Затем увеличивайте частоту до тех пор, пока напряжение на трансформаторе не поднимется на 3 дБ (в 1,414 раза больше начального напряжения). Обратите внимание на частоту.
L _утечка = R _P / ( 2π × f ) (где R _P — первичное сопротивление, а f — частота)
Полезная часть этого метода заключается в том, что сопротивление обмотки не имеет значения — вы получите правильный ответ независимо от сопротивления, потому что сопротивление включено в формулу. Звуковой вольтметр, который вы используете, важен – большинство цифровых измерителей имеют очень ограниченную высокочастотную характеристику, и на них нельзя полагаться, чтобы дать точные показания выше 1 кГц или около того. Если вы не уверены на 100%, что ваш измеритель работает на нужной вам частоте, показаниям нельзя доверять.
Чтобы показать, как это работает, я измерил трансформатор №1 с помощью измерителя индуктивности, который показал первичную индуктивность рассеяния 1,3 Гн . На самом деле это всего 762 мГн при измерении описанным методом. Вторичная индуктивность рассеяния была увеличена аналогичным образом, показывая 6,12 мГн вместо 2,35 мГн. Первичное сопротивление составляет 1077 Ом, а частота +3 дБ составляет 225 Гц (теперь вы можете рассчитать ее, используя приведенную формулу, чтобы увидеть правильный результат). Не забудьте устранить короткое замыкание во вторичной обмотке перед подключением трансформатора к сети!
Отсюда видно, что маленькие трансформаторы хуже больших, а пластины E-I хуже тороидальных сердечников. Этого следует ожидать, когда вы знаете, что ищете. Однако важно понимать, что это не влияет на работу трансформаторов частоты сети, и хотя обычно наблюдаются «возмущения», возникающие в результате взаимодействия индуктивности рассеяния и коммутации выключения диода, это не влияет на КПД или выход постоянного тока (см. Демпферы блока питания для подробного анализа). В некоторых случаях импульс выключения может вызвать некоторые радиочастотные помехи (кондуктивное или излучаемое излучение).
Однако – и это важно – индуктивность рассеяния является критической величиной для трансформаторов, используемых в импульсных источниках питания. Поскольку в этих источниках используется высокочастотный прямоугольный сигнал, индуктивность рассеяния вызывает звон, который может создавать перенапряжения, способные повредить переключающие полевые МОП-транзисторы или даже изоляцию трансформатора. Снабберная цепь (последовательно соединенные резистор и конденсатор — по сути цепь Цобеля) почти повсеместно используется для демпфирования сигнала звонка. Сведение к минимуму индуктивности рассеяния означает, что снаббер не так критичен и рассеивает меньше энергии. Это становится более важным, когда ожидается высокая эффективность, поскольку резистивный компонент рассеивает мощность и выделяет тепло. Это может иметь большое значение, если трансформатор не рассчитан на низкую индуктивность рассеяния.
13 Основные стили
Существует огромное количество различных форм сердечников, и каждая из них имеет свои преимущества и недостатки. Двумя наиболее распространенными для коммерческого аудиооборудования и домашнего аудиооборудования являются стандартный сердечник EI и тороидальный сердечник, но есть и многие другие. Иногда вы увидите C-ядра, двойные C-ядра и R-ядра, но они не так распространены, как два самых популярных типа.
В частности,
ферритов формуют и обжигают, чтобы получить желаемую форму и магнитные свойства. Поскольку первоначальная форма формована, сравнительно легко изготовить множество специализированных форм для различных применений, а также более традиционные формы, показанные ниже.
Обратите внимание, что сердечники с высокой проницаемостью (тороиды, ферриты, C-сердечники и R-сердечники) очень не прощают постоянного тока, и добавление воздушного зазора (см. следующий раздел) для некоторых невозможно. Любой компонент постоянного тока в первичном или вторичном контуре вызовет частичное (однонаправленное) насыщение, что может привести к «рычанию» ядра. Это также вызывает намного более высокий, чем обычно, ток «намагничивания». Важно убедиться, что не содержит компонент постоянного тока . Например, тороидальный трансформатор мощностью 500 ВА может быть повышен до номинальной мощности, просто используя однополупериодный выпрямитель! Это произойдет при части номинального выходного тока.
Тороидальный
Тороидальный сердечник изготавливается из непрерывной полосовой кремнистой стали с ориентированным зерном и склеивается для предотвращения вибрации и максимальной «плотности упаковки». Важно, чтобы между отдельными слоями не было зазоров, которые снизят производительность ядра. Острые углы закруглены и обычно покрыты подходящим изоляционным материалом, чтобы первичная обмотка (которая всегда наматывается первой) не соприкасалась с самой жилой.
Они очень распространены, и примеры фотографий показаны в Части 1. Поскольку обмотки располагаются так, чтобы покрыть сердечник как можно более равномерно, они имеют очень тесную магнитную связь, низкую индуктивность рассеяния и малую «утечку» потока. Имейте в виду, что на странице Википедии, посвященной «тороидальным индукторам и трансформаторам», есть кролики, вызывающие тошноту, о «сдерживании B-поля», что неприменимо (и в основном просто чепуха) применительно к сетевым трансформаторам. Подавляющее большинство страницы не содержит ничего полезного.
Я не собираюсь показывать методику намотки тороидальных трансформаторов, так как для этого требуется специальное оборудование, а это значит, что пытаться намотать его самостоятельно нецелесообразно. Изоляция между первичной и вторичной обмотками такова, что очень сложно изготовить тороидальный трансформатор класса II (с двойной изоляцией). Одна вещь, которую вы часто можете сделать с , это добавить несколько дополнительных витков (вручную), чтобы получить низковольтную вторичную обмотку, но обычно нецелесообразно пытаться добавить более 15 В или около того (30 витков, если трансформатор использует 2 витка на вольт). ). Большим трансформаторам требуется меньше витков, поэтому успех более вероятен с трансформатором на 500 ВА, чем на 50 ВА.
C-Cores
Я даже не пытаюсь охватить все типы ядер, но одно железное ядро, заслуживающее особого упоминания, — это ядро «C». Когда-то они были очень популярны, но потеряли популярность с тех пор, как для тороидов стали доступны подходящие намоточные машины. Они по-прежнему имеют очень хорошую конструкцию сердечника и особенно подходят там, где требуется (полностью сертифицированный) искробезопасный трансформатор (т. Е. Где первичная и вторичная обмотки физически разделены), и этот метод также обеспечивает минимальную емкость между обмотками. . Однако очень редко можно увидеть, что первичный и вторичный полностью разделены. С-образные сердечники изготавливаются путем скручивания непрерывной полосы в желаемую форму, а после склеивания ее разрезают пополам. Чтобы обеспечить наилучшее возможное магнитное сцепление (т. е. отсутствие воздушного зазора), обрезанные концы обрабатываются и полируются как пара — очень важно обеспечить их правильное сопряжение, иначе возникнут неприемлемые потери. Половины сердечника обычно скрепляются стальной лентой, аналогичной той, которая используется для больших транспортных ящиков.

Рисунок 13.1 – Трансформатор с С-образным сердечником
Основным недостатком схемы с одним C-сердечником, показанной выше, является то, что ее индуктивность рассеяния обычно выше, чем у одиночной обмотки. Каждая «ветвь» С-образного сердечника (обычно) имеет половину первичных витков и половину вторичных витков. Их можно полностью разделить, но это снижает эффективность и увеличивает индуктивность рассеяния. Хотя обе обмотки могут быть размещены на одной катушке с парой сердечников, чаще используются четыре секции «С», как показано ниже. Это обеспечивает больше железа (в два раза больше) и позволяет меньше витков для данного напряжения. Естественно, двойной C-Core, как показано ниже, не может быть безопасным на 100%, потому что обе обмотки намотаны вместе так же, как и в эквивалентном трансформаторе E-I. пока не искробезопасен по стандарту , поскольку, как и в случае любой обмотки с катушечной обмоткой, по-прежнему довольно легко построить обмотку, которая соответствует всем стандартам двойной изоляции (класс II).
С-сердечники
не так эффективны, как тороидальные сердечники, но их легче наматывать с помощью обычных машин для намотки катушек. Общий КПД находится между сердечником E-I и тороидальным. Обратите внимание, что тороидальные трансформаторы очень сложны в изготовлении, поэтому они соответствуют стандартам двойной изоляции. Я никогда не видел тороидальный трансформатор с двойной изоляцией, за исключением тех, которые используются в электронных трансформаторах, предназначенных для галогенных светильников. Они имеют пластиковый корпус, который полностью закрывает первичную обмотку с небольшим количеством витков.

Рисунок 13.1A — Трансформатор с двойным С-образным сердечником
Образец ферритовых сердечников показан на рис. 13.2 — это всего лишь небольшое указание на доступные варианты, и большинство стилей также доступны во многих различных классах для удовлетворения конкретных приложений.

Рисунок 13.2 – Некоторые типы ферритовых сердечников
Одна из показанных форм также используется с многослойными стальными сердечниками, а именно тороид. Тороидальные трансформаторы сегодня очень распространены, но для их намотки первичной и вторичной обмотки требуется узкоспециализированное оборудование. Обычно они являются «предпочтительным» типом сердечника для аудиоусилителей, потому что они имеют очень низкие излучаемые магнитные поля. Поскольку сердечник (почти) полностью окружен обмотками, утечка потока очень мала. Как всегда, нет ничего «идеального», но для сетевых (и выходных) трансформаторов тороидальные трансформаторы обеспечивают наименьшую утечку потока среди всех обычных трансформаторов.
Это означает, что при условии, что конструктор использует разумную проводку (без проводов в радиусе ~20 мм от трансформатора), поток рассеяния не вызовет нежелательных помех в звуковом сигнале. Если расстояние от трансформатора превышает 50 мм или около того, это не повлияет даже на линейный звук. Как и в случае с любым строительным проектом , важно протестировать вашу компоновку до того, как она будет «высечена в камне», чтобы убедиться, что в звуке нет гула, гудения или других нежелательных сигналов.
Сердечники E-I
На схеме на рис. 13.3 показан правильный способ сборки трансформатора E-I. Иногда производители используют 2 или 3 ламината в одном направлении, затем столько же в другом. Это снижает затраты, но производительность трансформатора уже никогда не будет такой хорошей. Чередующиеся слои сводят к минимуму воздушный зазор, создаваемый между секциями E и I из-за несовершенного соединения двух частей. Очень важно, чтобы ламинаты были упакованы как можно плотнее, чтобы влияние воздушных зазоров было минимальным.
Для максимальной эффективности трансформатора штабель должен быть по возможности квадратным. Квадратная стопка – это та, в которой высота стопки ламинирования равна ширине центральной ножки (язычка), поэтому центр выглядит как квадрат с конца. Это дает максимально возможное сопротивление провода для размера сердечника. Обычно используются более толстые и более тонкие стопки, но это делается для целесообразности (или для минимизации запасов), а не для повышения производительности.

Рис. 13.3. Укладка ламината E-I
Когда трансформатор с пластинами E-I скрепляется болтами, важно, чтобы болты были изолированы от сердечника. В противном случае это позволит большим вихревым токам циркулировать через торцевые пластины и болты, что резко снизит производительность. В целях безопасности сердечник всегда должен быть соединен с заземлением сети, за исключением случаев, когда трансформатор имеет двойную изоляцию.
“Да, но что в этом хорошего? Пластины и так изолированы друг от друга. ” Межпластинчатая изоляция достаточна для предотвращения вихревых токов, но не выдерживает сетевого напряжения, поэтому в случае электрического пробоя жила может стать «живой», если не заземлена.
Чтобы уменьшить излучаемый поток от сердечника трансформатора E-I, иногда можно увидеть медную или латунную ленту № , обернутую вокруг обмотки, и снаружи сердечника, как показано на рис. 13.4. Это действует как короткозамкнутый виток только для потока рассеяния и значительно снижает магнитные помехи соседнему оборудованию. Лента должна быть припаяна там, где она перекрывается, чтобы обеспечить очень низкое сопротивление. Такие меры обычно не требуются для тороидальных трансформаторов, так как поток рассеяния намного ниже, а сердечник полностью закрыт обмотками.
Тем не менее, в критических приложениях можно использовать магнитную ленту. Для тороидальной обмотки лента просто наматывается на внешнюю сторону обмотки и припаивается, чтобы получить соединение с низким сопротивлением. Лента не должна касаться других металлических частей, соединенных с крепежным болтом, таким образом, чтобы образовывался закороченный виток. Это приведет к огромному циркулирующему току – предохранитель сгорит, если он правильно подобран, или трансформатор сгорит, если нет. Однако можно заземлить полосу магнитного потока, и это уменьшит излучение любого ВЧ-шума (например, шума выпрямителя).
( ¹ Хотя я уверен, что многие люди хотели бы видеть, как их местный духовой оркестр обернут вокруг трансформатора, я имел в виду не это. Хотя это создает интересную ментальную картину.)

Рисунок 13.4 – Трансформатор с магнитным флюсом
На всякий случай, если вам интересно, размеры пластин E-I рассчитаны таким образом, чтобы пластины можно было создавать без отходов материала (кроме отверстий). Относительные размеры показаны ниже и представляют собой просто соотношение реальных размеров, которые, естественно, будут в миллиметрах или дюймах. Такое расположение известно как «безотходное» ламинирование, поскольку существует абсолютный минимум отходов.

Рисунок 13.5 – Собранные пластины и размеры перфорации
Длина магнитного пути представляет собой среднее значение для двойного пути, показанного на собранном чертеже ламината, и обычно принимается равным 12 (единицам). Это может показаться несколько пессимистичным, но это общепринятая цифра. Размер окна намотки ограничен размерами перфорации, и очень важно максимально использовать доступную ограниченную площадь. Если провод обмотки будет слишком тонким, места будет много, но потери в меди будут чрезмерными. Сделайте обмоточный провод слишком толстым, и готовая обмотка не влезет в имеющееся пространство. Необходимо предусмотреть дополнительное пространство для бобины обмотки, а также для межвитковой изоляции и конечного изоляционного слоя.
R-Core
Они относительно редки, и это позор. Основные части R-Core показаны ниже, а сердечник представляет собой единую полосу из GOSS (зернистой кремнистой стали), специально вырезанную таким образом, чтобы при сворачивании в форму сердечника она давала круглое поперечное сечение. Шпульки свободно вращаются на сердечнике и снабжены системой «привода» на одной или обеих щеках шпульки. Бобины состоят из двух частей и добавляются к сердечнику после изготовления. Для намотки требуется специальный станок, но целеустремленный любитель может его построить.

Рисунок 13.6 – Сердечник и катушки трансформатора R-Core
В большинстве случаев шпульки намотаны по половине первички и по половине вторички на каждой. В отличие от тороидального трансформатора, в него легко включить изоляцию, которая соответствует стандартам класса II (с двойной изоляцией). В некоторых случаях первичная и вторичная обмотки находятся на отдельных катушках, где требуется очень высокий уровень изоляции. Это увеличивает индуктивность рассеяния и уменьшает (магнитную) связь, поэтому это не идеально для высокой производительности. Однако, как и C-Core, эта форма обмотки может использоваться там, где необходима очень высокая изоляция между первичной и вторичной обмотками.
Многие трансформаторы R-Core оснащены «лентой магнитного потока» (как описано выше) как само собой разумеющееся. Это необходимо для предотвращения «загрязнения» сигнальной проводки потоком рассеяния, поскольку утечка потока из R-Core немного больше, чем из эквивалентного тороидального трансформатора.
13.1 Воздушные зазоры
Постоянный ток течет в обмотках любого трансформатора, который используется для импульсных источников питания с обратной связью или усилителей мощности SET, и это только два. Эффект заключается в том, что постоянный ток создает магнитодвижущую силу, которая является однонаправленной, и это уменьшает максимальный сигнал переменного тока, который может быть передан до насыщения в одном направлении. Действительно, постоянная составляющая сама по себе может вызвать насыщение, так что трансформатор будет бесполезен как средство передачи сигнала переменного тока без сильная деградация. Даже при использовании однополупериодного выпрямителя в обмотки будет вноситься эффективная составляющая постоянного тока, и этого следует избегать при любом значительном уровне мощности (т. е. более нескольких миллиампер).
Для борьбы с этим в трансформаторах, подверженных постоянному току в обмотках, используется воздушный зазор в сердечнике, поэтому он уже не является полной магнитной цепью, а разрывается зазором. Это снижает индуктивность и означает, что необходимо использовать сердечник большего размера из-за пониженной проницаемости материала сердечника из-за зазора. Воздушный зазор также увеличивает индуктивность рассеяния из-за «окантовки» потока вокруг зазора, а также увеличиваются резистивные (медные) потери, поскольку потребуется больше витков.
Подробное рассмотрение этого вопроса выходит за рамки данной статьи, но оно накладывает некоторые серьезные ограничения на конструкцию трансформаторов, в которых присутствует постоянный ток. Это (IMO) один из самых больших недостатков усилителя SET, столь популярного среди аудиофилов, поскольку он почти всегда приводит к неприемлемым компромиссам и столь же неприемлемым искажениям (как гармоническим, так и частотным).
В некоторых конструкциях можно исключить постоянную составляющую, используя третичную обмотку, которая несет … постоянный ток. Если можно сделать так, чтобы дополнительная обмотка индуцировала поток, равный и противоположный потоку тока смещения, то поток покоя в трансформаторе можно уменьшить до нуля (там, где он должен быть). Недостатком этого является то, что требуется дополнительная обмотка, а , занимают ценное место на сердечнике. Это также сложная техника для правильного выполнения, и в наши дни ее нечасто можно увидеть. Одно время это был популярный метод в телекоммуникационном оборудовании, и это означало, что для той же производительности можно было использовать трансформаторы меньшего размера.
Все трансформаторы
E-I имеют крошечный «воздушный зазор» из-за способа сборки пластин. С осторожностью это можно считать почти незначительным, но нельзя устранить. С-образные сердечники будут иметь обрезанные концы, чтобы свести к минимуму эффект, но, опять же, полностью устранить его нельзя. Тороидальный сердечник вообще не имеет воздушного зазора и поэтому более эффективен (с точки зрения магнитного поля) — они совершенно не переносят постоянный ток в обмотках. У больших тороидальных трансформаторов первичное сопротивление очень низкое, и даже небольшое постоянное напряжение в сети вызовет частичное насыщение.
Это обычно слышно как рычание трансформатора, и если оно достаточно сильное, вы услышите его непосредственно перед размыканием предохранителя или автоматического выключателя. Легко получить в несколько раз больший нормальный ток полной нагрузки, протекающий в первичной обмотке, с асимметричными сетевыми сигналами, имеющими эффективную постоянную составляющую. Дополнительную информацию о проблеме и способах ее устранения см. в разделе Блокировка смещения постоянного тока сети.
14 Материалы
Существует огромное количество материалов сердцевины, даже в рамках одного базового класса, поэтому я упомяну лишь некоторые из наиболее распространенных. Все материалы имеют некоторые основные требования, если они будут использоваться с переменным током (для трансформаторов, а не соленоидов или реле, которые могут работать с постоянным током). Сердечник не может быть сплошным и электропроводным, иначе будет протекать чрезмерный вихревой ток, нагревающий сердечник и вызывающий очень большие потери. Поэтому во всех сердечниках используются либо тонкие металлические пластины, электрически изолированные друг от друга, либо порошкообразный магнитный материал в изолирующем наполнителе. Приведенный ниже список далеко не исчерпывающий — существует великое множество вариантов сплавов, и я упомянул лишь некоторые из тех, которые широко используются.
ГОСТ
Обычно считается, что это аббревиатура от «Кремниевая сталь с ориентированным зерном», но на самом деле это имя человека, который ее изобрел — Нормана П. Госса (патент США 1965559). Подробнее см. в Википедии.
Кремнистая сталь (общая информация)
Как правило, мягкая (т. е. с низкой остаточной намагниченностью) магнитная сталь будет содержать от 4% до 4,5% кремния, что снижает остаточную намагниченность стали и снижает гистерезисные потери. Обычная мягкая сталь, углеродистая сталь или чистое железо имеют довольно высокую остаточную намагниченность, и это легко продемонстрировать, погладив гвоздь (или отвертку) магнитом. Гвоздь станет намагниченным и сохранит достаточно магнетизма, чтобы он мог зацепить другие гвозди. Добавление кремния уменьшает этот эффект, и очень трудно намагнитить пластину трансформатора достаточно сильно, чтобы она могла что-то подцепить.
Это не означает, что остаточная намагниченность равна нулю, это далеко не так. Когда трансформатор выключен, в сердечнике часто присутствует остаточный магнетизм, а при следующем включении трансформатор обычно издает шум – и тороидальные, и трансформаторы E-I иногда могут издавать шум (иногда довольно громкий) при включении питания. применены. Это связано с насыщением сердечника и пусковым током — более полное описание см. в разделе 12.1 выше.
Кремнистая сталь и другие металлические (в отличие от ферритовых) материалы обычно отжигаются путем нагревания и затем медленного охлаждения после штамповки и формовки. Это устраняет большую часть внутренних механических напряжений, вызванных операциями штамповки или прокатки – эти напряжения снижают магнитные свойства материала, иногда очень резко.
CRGO – Холоднокатаная кремнистая сталь с ориентированным зерном
Как и многие стали, эта версия подвергается холодной прокатке для получения требуемой толщины и плоскостности, необходимых для сердечника трансформатора. Магнитное «зерно» стали выровнено в одном направлении, что обеспечивает более высокую проницаемость, чем это было бы возможно в противном случае. Этот материал идеально подходит для тороидальных и С-образных сердечников, поскольку зерна могут быть выровнены в направлении магнитного потока (т. е. по кругу вокруг сердечника). Он менее подходит для ламинирования E-I, потому что флюс должен пройти поперек «зерно» на концах ламинирования, снижающее проницаемость.
CRNGO – Холоднокатаная незернистая кремнистая сталь
Как правило, больше подходит для ламинирования E-I, это по сути тот же процесс, что и CRGO, но магнитное зерно остается случайным, без выравнивания магнитных доменов. Хотя это снижает общую проницаемость, эффективная проницаемость может быть лучше при использовании штампованных ламинатов (в отличие от катаных, таких как тороидальные и С-образные сердечники).
Железный порошок
Мягкий ферритовый керамический материал, используемый там, где в обмотке присутствует значительный постоянный ток. Сердечники из порошкового железа имеют относительно низкую проницаемость (максимум около 90) и предназначены для работы на высоких частотах. Эти сердечники чаще всего используются без воздушного зазора и не будут легко насыщаться. Обычно используются в качестве фильтрующих дросселей в импульсных источниках питания и в качестве фильтров электромагнитных помех (электромагнитных помех). Тороидальная форма является наиболее распространенной.
Феррит Мягкие ферриты
являются основой импульсных источников питания и низкоуровневых высокоскоростных трансформаторов (например, могут использоваться для сетевых карт и небольших переключающих трансформаторов). Имеются ферриты с выдающейся проницаемостью, что позволяет использовать небольшие сердечники с очень высокой мощностью. Обратный ход (тип работы в режиме переключения) трансформаторы, в частности, обычно имеют зазор из-за постоянной составляющей в первичном токе. Ферриты с высокой проницаемостью
также очень распространены в телекоммуникациях и других небольших преобразователях звуковой частоты, где требуется очень высокая индуктивность и небольшой размер.
Мюметалл
Названный в честь символа проницаемости (µ), как и следовало ожидать, этот материал имеет чрезвычайно высокую проницаемость – обычно порядка 30 000. Он обычно используется в качестве магнитного экрана для электронно-лучевых трубок в высококачественных осциллографах, экранирующих стаканов для микрофонных трансформаторов и в качестве ламинирования для трансформаторов низкого уровня. Максимальная плотность потока довольно низкая по сравнению с другими металлическими материалами. Помимо относительной мягкости, при падении магнитные свойства могут ухудшиться (MuMetal требует тщательного отжига, чтобы гарантировать оптимизацию его магнитных свойств).
Обратите внимание, что ссылка на «мягкие» материалы не означает их физической твердости (большинство из них физически твердые или очень твердые), а описывает их магнитные свойства. характеристики. Для постоянных магнитов требуется «твердый» магнитный материал, так как он обладает высокой удерживающей способностью. «Мягкие» материалы имеют очень низкую сохраняющую способность. чтобы они сами не стали магнитами.
15 Преобразователь искажений
Идеальный трансформатор не имеет искажений, но идеальных трансформаторов не бывает. Следовательно, можно сделать вывод, что трансформаторы имеют искажения, но насколько?
Ответ полностью зависит от того, как используется трансформатор. При питании от источника напряжения с нулевым импедансом реальный трансформатор имеет очень небольшие искажения. Сопротивление обмотки самого трансформатора фактически включено последовательно с «идеальной» обмоткой, поэтому, чтобы получить источник с истинным «нулевым сопротивлением», вам нужен драйвер с отрицательным импедансом. Если отрицательное сопротивление сделать равным сопротивлению обмотки (положительное сопротивление/импеданс), они компенсируются. Это не тривиально, но это можно сделать, и есть некоторая информация об этой технике в статье Audio Transformers.
Любой трансформатор, работающий при низкой плотности потока и с источником с низким импедансом, будет вносить в сигнал очень небольшие искажения. По мере снижения частоты и/или увеличения рабочего уровня в конечном итоге в любом трансформаторе будут достигнуты пределы насыщения, и искажения станут проблемой. На самом деле это не проблема для сетевых силовых трансформаторов, но очень важна для выхода лампы и соединительных/изолирующих трансформаторов линейного уровня, особенно на низких частотах.
Характеристики искажения трансформаторов, используемых в качестве выходных устройств ламп, являются сложным вопросом и здесь не рассматриваются. Достаточно сказать, что обычные методы определения количества витков на вольт, основанные на самой минимальной частотной характеристике, дадут неприемлемо высокие уровни искажений на низких частотах.
Важно отметить, что подключение трансформатора напрямую к выходу обычного (транзисторного) усилителя мощности звука может иметь неожиданные и серьезные последствия. Если сердечник насыщается из-за «события» постоянного тока, усилитель либо переходит в режим ограничения VI (из-за схемы защиты), и/или может полностью выйти из строя. «Событие» может быть таким же, казалось бы, безобидным, как тяжелое дыхание в микрофон, которое вызывает большую низкочастотную составляющую, вызывающую насыщение ядра. Полное обсуждение этой темы см. в разделе High Voltage Audio — Saturation.
В разделе ламп также обсуждается ламповый выходной аудиотрансформатор. Список доступных статей см. в Valves Index. В статьях «Соображения по дизайну», в частности, рассматриваются поведение и требования трансформатора.
16 Повторное использование трансформаторов
Трансформаторы часто можно использовать повторно, при этом новое использование полностью отличается от того, что предполагалось. Тем не менее, необходимо соблюдать большую осторожность, так как есть несколько ловушек с некоторыми трансформаторами, используемыми в потребительском оборудовании. В общем, трансформатор, взятый из старого усилителя, можно использовать в новом усилителе, но не все трансформаторы, найденные в потребительских товарах, годятся для чего-либо, если вы точно не знаете, что делаете.
Некоторое время назад на форуме ESP поднимался вопрос, касающийся использования старых трансформаторов микроволновых печей (сокращенно ТО). Хотя вторичное напряжение слишком велико (обычно от 1,1 до 1,5 кВ RMS), было высказано предположение, что обмотку высокого напряжения можно просто удалить и намотать новую вторичную обмотку, чтобы получить необходимое напряжение. Пока это будет работать, остерегайтесь текущих (снижение затрат) производственных тенденций!
Очень часто МТ, взятый из печи, которой меньше ~20 лет, наматывают так, что трансформатор находится в состоянии насыщения без нагрузки. В одном протестированном мной блоке ток без нагрузки был 1,2А (да, 1,2А – не опечатка). Сердечник начал насыщаться только при 150В, а к 240В насытился очень сильно. При использовании по назначению это не вызовет проблем — помните, что поток сердечника уменьшается, когда трансформатор нагружен, а микроволновая печь также имеет вентилятор и обычно никогда не работает очень долго. Трансформатор никогда не работал без нагрузки, если только цепь питания магнетрона не неисправна или сам магнетрон не вышел из строя.
Усилитель обычно большую часть времени применяет очень легкую нагрузку. Эксплуатация трансформатора, такого как тот, который я тестировал в усилителе, приведет к перегреву трансформатора (288 ВА тепла без нагрузки), а также к неприемлемому общему КПД самого усилителя. Кроме того, МОЛ не рассчитан на низкий поток рассеяния, поэтому значительно увеличивает уровень шума из-за наведенных токов в проводке и шасси. Чтобы усугубить травму, трансформатор также был довольно шумным (механический шум из-за магнитного взаимодействия между сердечником и обмотками, плюс [возможно] некоторая магнитострикция), и одно это делало его непригодным для использования в Hi-Fi системе (при условии, что что он электрически пригоден).
Как видно из вышеизложенного, ТО совершенно непригодно для продолжительной работы при малой нагрузке – по сути, она даже не рассчитана на продолжительную работу. Хотя к первичной обмотке можно добавить больше витков, потребуется очень много дополнительных витков, чтобы уменьшить поток ниже уровня насыщения. Кроме того, добавление первичных витков означает, что изоляция должна быть 91 604 идеальной 91 605, чтобы предотвратить потенциально фатальные аварии.
Все трансформаторы, которые вы собираетесь использовать повторно, должны быть проверены на предмет их достоинств и протестированы в контролируемой среде, чтобы убедиться, что они выживут в своей новой роли. Тот факт, что трансформатор использовался в одном оборудовании, делает , а не означает, что его можно использовать в любом другом оборудовании, поскольку критерии проектирования часто действительно сильно различаются.
Если вы удовлетворены тем, что трансформатор подходит для новой задачи, которую вы собираетесь перед ним поставить, то витки могут быть удалены или добавлены во вторичную обмотку, чтобы получить необходимое вам напряжение. Не вмешивайтесь в первичную обмотку, если вы не понимаете требований к изоляции и не можете гарантировать, что конечный трансформатор будет по крайней мере таким же безопасным, каким он был, когда вы его нашли. В этой статье даже не будет пытаться осветить задачу перемонтажа вторичной обмотки — если вы не знаете, как это сделать, и не можете с этим справиться, то вообще не стоит возиться с трансформаторами.
VA Resistance Regulation VA Resistance Regulation
4 1100 30% 225ВА 8 8%
6 700 25% 300 4,7 6%
10 400 20% 500 2,3 4%
15 250 18% 625 1,6 4%
20 180 15% 800 1,4 4%
30 140 15% 1000 1,1 4%
50 60 13% 1500 0,8 4%
80 34 12% 2000 0,6 4%
120 22 10% 3000 0,4 4%
160 12 8%
Мощность ВА (первичная обмотка 230 В)
Расширяя показанную ранее таблицу, она охватывает более широкий диапазон, но содержит только ту информацию, которая действительно необходима для оценки приблизительного номинала ВА трансформатора, при условии, что у вас есть трансформатор без указания его номиналов. Приведенная выше таблица является лишь приблизительным ориентиром — ее не следует рассматривать как истину, поскольку существует множество противоречивых требований, которые могут влиять на сопротивление обмотки в любом направлении. Как уже отмечалось, цифры относятся к трансформаторам с номинальным напряжением 230 В — если вы находитесь в стране с напряжением 120 В, показанные значения сопротивления следует разделить на 4 (достаточно близко).
Регламент
часто неправильно понимают, и указанные значения являются (опять же) приблизительными. Производители трансформаторов почти всегда указывают регулирование, основанное на резистивной нагрузке, что является наилучшим случаем. В реальных приложениях регулирование будет (часто значительно) хуже, чем значение, указанное или показанное выше. Подробное объяснение см. в 11.3.
Благодарю Фила Эллисона за данные в приведенной выше таблице.
16.1 Закороченные витки
В какой-то момент большинство людей, занимающихся электроникой, столкнется с трансформатором (или другим компонентом с обмоткой) с одним или несколькими закороченными витками. Это почти всегда фатально (для ранящегося компонента, а не для пользователя). Независимо от размера трансформатора, всего один закороченный виток означает, что это уже не трансформатор, а просто пресс-папье (или лодочный якорь). Для более крупных трансформаторов закороченный виток приведет к перегоранию предохранителя только при подключенном трансформаторе (без нагрузки). Трансформаторы меньшего размера будут иметь рассеивание выше нормального, но для трансформаторов менее ~ 15 ВА (это может варьироваться) они часто будут оснащены тепловым предохранителем. Обычно он скрыт в обмотках и редко доступен без снятия всей вторичной обмотки.
Существуют тесты, которые можно выполнить для проверки короткого замыкания витка, но даже скромные трансформаторы могут генерировать очень высокое напряжение. Для начала подключите высоковольтный конденсатор (от 220 нФ до 470 нФ) к первичной обмотке. Основной тест заключается в подаче постоянного тока на первичную обмотку (не более 10 мА) и быстром ее отключении. Хороший трансформатор будет генерировать сигнал, подобный показанному ниже (красная кривая). Вы специально ищете звон (затухающие колебания). Конденсатор взаимодействует с индуктивностью трансформатора, создавая затухающий звон. Закороченные витки резко гасят резонанс. Текущий поток был прерван на 70 мс на графике.

Рисунок 16.1 – Исправный трансформатор (красный), закороченный виток (зеленый)
Вышеупомянутое было взято из симуляции (шкала времени была произвольно начата с нуля), и реальность может немного отличаться. Я провел тест на паре трансформаторов и получил почти идентичные результаты. Результаты, которые вы видите, будут разными, и они зависят от размера (номинальной мощности) трансформатора и от того, насколько «хорошо» короткое замыкание. Я просто добавил короткозамкнутый виток через центр двух тестируемых тороидальных трансформаторов (один на 20 ВА, другой на 300 ВА).
Важно, чтобы «возбуждающий» ток оставался низким, иначе всплеск напряжения будет экстремальным с хорошим трансформатором. Кроме того, следует понимать, что этот тест , а не «окончательный», так как многое зависит от характера закороченного витка. Если закорочено более одного витка (что не редкость), отрицательный пик будет иметь гораздо более низкое напряжение, и, как показано выше, наихудшим случаем будет либо закороченная вторичная обмотка, либо много закороченных витков. «Звон» полностью исчезает, остается только приглушенный отрицательный переход (кривая «многооборотов»). В идеале вы должны протестировать подозрительный трансформатор вместе с другим примерно таким же номиналом ВА и типом сердечника.
В некоторых случаях короткое замыкание может зависеть от температуры или даже исчезнуть при ослаблении болта крепления тороидального трансформатора. Трансформатор еще “кактус”, и его нельзя использовать повторно. Это опасно, так как всегда существует (по общему признанию небольшой) риск того, что может развиться короткое замыкание между первичным и вторичным, или это может вызвать такой сильный перегрев, что возможен пожар. Стоит провести несколько тестов для себя, чтобы увидеть результаты, и, если возможно, создать короткозамкнутый виток с помощью куска довольно толстого медного провода, чтобы вы могли сами увидеть эффект. Не забудьте удалить закороченный виток перед использованием трансформатора !
17 Трансформаторы тока
Из всех трансформаторов одним из наименее понятых (или наиболее неправильно понятых) является трансформатор тока (ТТ). Хотя изначально кажется, что они нарушают общие правила трансформеров, на самом деле они этого не делают. Если поискать в Сети, можно найти много информации, но большая ее часть носит исключительно технический характер (чрезмерно для общего понимания) или, в некоторых случаях, вводит в заблуждение. Некоторые из них просто неверны. Приведенная ниже информация подтверждена тестированием и/или моделированием. Обратите внимание, что я не пытался смотреть на фазовые углы или векторные/фазорные диаграммы. Они могут быть интересными, но не имеют отношения к этому объяснению, потому что они становятся важными только тогда, когда необходимы более сложные измерения и/или становится важной абсолютная фаза.
В то время как идеальный трансформатор напряжения имеет очень низкий выходной импеданс и ведет себя как источник напряжения, идеальный трансформатор тока имеет очень высокий выходной импеданс и действует как источник тока. В разумных пределах вторичный ток не зависит от сопротивления нагрузки (предпочтительно от низкого до очень низкого сопротивления). Нагрузка, подключенная к вторичной обмотке, известна как нагрузка . Это может быть резистор, амперметр или другое оборудование, предназначенное для подачи правильной нагрузки на вторичную цепь трансформатора тока. Термин «нагрузка» используется, чтобы отличить ее от «нагрузки», которая, как предполагается, представляет собой нагрузку (например, двигатель) на (обычно) одновитковую первичную обмотку трансформатора тока.
Трансформаторы тока используются для измерения тока в проводнике и чаще всего используют только один кабель или шину, проходящую через центр тороида. Вторичная обмотка является обычной (обмотана вокруг сердечника обычным способом) и определяется соотношением витков, а не конкретным напряжением, как это видно из спецификаций обычных трансформаторов напряжения. Действительно, напряжение , а не является предпочтительным выходом трансформатора тока – поскольку это трансформатор тока, мы ожидаем контролировать выход 9.1604 текущий . Нагрузочный резистор (где он используется) действует как преобразователь тока в напряжение, и чем ниже его значение, тем лучше.
Традиционные трансформаторы тока (например, используемые в распределительных щитах и электростанциях/подстанциях) используют сердечники из многослойной трансформаторной стали, имеют ограниченную полосу пропускания и, как правило, рассчитаны на обеспечение выходного тока 5 А для привода счетчика с подвижным механизмом. Их можно считать «настоящими» трансформаторами тока, поскольку редко требуется измерять напряжение на определенном сопротивлении. Однако любая нагрузка (счетчик или другое показывающее устройство) будет всегда имеют некоторое сопротивление, поэтому всегда будет напряжением, возникающим на нагрузке – преднамеренно или нет.
Передаточное отношение для этих вторичных трансформаторов на 5 А обычно задается как 1000:5, например, – входной ток 1000 А приводит в движение счетчик на 5 А до полной шкалы. Они до сих пор на удивление распространены, потому что большинство современных индикаторов и защитных устройств (в том числе полностью электронных типов) по-прежнему рассчитаны на вход 5А (это отраслевой стандарт для контроля сетевого питания). Типичная нагрузка для выхода 5 А составляет 0,2 Ом, поэтому 1 В будет вырабатываться на нагрузке при полном токе. Обратите внимание, что сопротивление проводки между ТТ и прибором увеличивает действующее значение нагрузки, и это может привести к неточностям, если кабель имеет несоответствующее сечение.
Для использования в мастерских мы используем электронику для большинства измерений (например, цифровые показания), и для них требуется вход напряжения. Это достигается путем контроля напряжения на определенном значении сопротивления, а рабочий вторичный ток, как правило, очень низкий – определенно не более 1 А, но чаще менее 100 мА. Трансформатор тока с коэффициентом 1000:1 даст выходной ток 1 мА/А входного тока. Если необходимо измерить большие токи, отношение может быть выше или нагрузка ниже — если необходимо измерить 1000 А с выходным током, подходящим для современной электроники, нагрузку можно уменьшить до 1 Ом, поэтому 1000 А даст выходной сигнал 1А – 1В на 1 Ом. Однако важно, чтобы трансформатор действительно был рассчитан на 1000 А — вы не можете ожидать, что ТТ на 10 А останется линейным, если и первичный, и вторичный ток в 100 раз больше, чем предполагалось. Не только сердечник насытится, но и вторичная обмотка может сгореть из-за чрезмерного рассеяния.
Естественно, можно использовать стандартный промышленный трансформатор тока на 5 А даже для питания современного истинного среднеквадратичного измерителя. Как отмечалось выше, типичная нагрузка составляет 0,2 Ом, на ней будет вырабатываться 1 В при полном токе, а нагрузка (если она чисто резистивная) будет рассеивать 5 Вт. Все эти цифры находятся в пределах границ обычного маломощного электронного оборудования. Однако немногим из нас нужно иметь возможность измерять 1000 А в наших мастерских, если только мы не собираем сварочный аппарат. Большинство нагрузок менее требовательны и требуют трансформатора тока, рассчитанного на меньший выходной ток.
Мы знаем, что для измерения тока мы можем просто применить закон Ома – включить последовательный резистор и измерить напряжение на нем. Однако это означает, что на резисторе будет падать напряжение, и он будет рассеивать мощность. Это становится утомительным в промышленном применении, где ток, который мы хотим контролировать, может составлять тысячи ампер! Есть также небольшой вопрос безопасности – трансформатор тока обеспечивает важный защитный барьер, поскольку вторичная обмотка полностью изолирована от одновитковой первичной обмотки. Как и все трансформаторы, трансформаторы тока можно использовать только с переменным током.

Рисунок 17.1 – Выбор типичных трансформаторов тока
Трансформаторы тока, показанные на рис. 17.1, являются всего лишь крошечным образцом — доступны сотни различных типов, с номинальным током от нескольких ампер до тысяч ампер, выходным током от нескольких миллиампер до 5 А и рассчитанными на частоту от 50/60 Гц до до сотен кГц (иногда используется в больших импульсных источниках питания). Гораздо важнее понять общие концепции — внешний вид и тонкости дизайна не важны, пока он работает так, как задумано. Трансформаторы тока основаны на ампер-витках, как и все трансформаторы, но это не считается особенно важным фактором для обычного трансформатора напряжения. Для ТТ ампер-витки являются определяющим фактором, и основное внимание как для первичной, так и для вторичной обмотки составляет ток , а не напряжение. Отсюда следует, что вторичная обмотка должна быть нагружена так, чтобы она обеспечивала выходной ток, а не напряжение.
Типовой малоточный (менее 200 А) измерительный трансформатор тока может иметь соотношение витков 1000:1 — это означает, что вторичная обмотка имеет 1000 витков, и предполагается, что первичная обмотка будет состоять из одного витка. Соотношение витков определяется первичным током и требуемым вторичным током и широко варьируется в зависимости от реальных трансформаторов тока. Соотношение может быть от 100:5 (выход 5 А при токе нагрузки 100 А) до 2500:1 для специализированных приложений. Полномасштабный вторичный ток колеблется от 100 мА до 1 или 5 А (последнее все еще очень распространено). Обратите внимание, что коэффициент для выходных ТТ на 5 А почти всегда указывается как nnn:5 (например, 250:5), чтобы отличить его от устройств с низким выходным током.
Первичная индуктивность минимальна, обычно не более нескольких микрогенри, и это при работе на частоте 50/60 Гц. Первичный ток 1 А дает вторичный ток 1 мА (1000:1). Вы можете спросить, как трансформатор с такой низкой первичной индуктивностью может работать даже с такой низкой индуктивностью, но при этом вы упустите суть.
Первичная индуктивность необходима для трансформатора, подключенного через к сети, поскольку индуктивное сопротивление ограничивает первичный ток намагничивания (без нагрузки). С трансформатором тока нет необходимости ограничивать ток, так как это делает сама нагрузка. Текущий нарисованный только контролируется трансформатором тока. Сама его цель состоит в том, чтобы ввести в цепь минимально возможное дополнительное сопротивление. Чрезвычайно низкая первичная индуктивность является причиной того, что ТТ действует как источник тока – выходной (вторичный) ток прямо пропорционален первичному току, при условии, что предотвращается насыщение сердечника – абсолютная необходимость.
Я измерил первичную индуктивность трансформатора тока 5 А, 1000:1, который использовал для других испытаний. Мой измеритель индуктивности настаивал на использовании 1 кГц для теста, но это нормально, поскольку показания в лучшем случае можно считать репрезентативными. Тесты проводились с 1 и 10 витками первичной обмотки, а также с вторичной обмоткой (разомкнутая цепь) и нагрузкой 100 Ом. Измеренные значения …
Первичные витки Первичная индуктивность
Секунда Разомкнута Секунда 100 Ом
1 1,5 мкГн 0,2 мкГн
10 144 мкГн 1,2 мкГн
Маловероятно, что измеренные очень низкие значения индуктивности будут особенно точными, просто потому, что они находятся на пределе измерительных возможностей моего измерителя. Хотя цифры все равно интересные. Значение индуктивности первичной обмотки с разомкнутой вторичной цепью бесполезно, но включено для того, чтобы влияние нагрузки стало очевидным. Как отмечено ниже, трансформатор тока должен никогда не эксплуатировать с разомкнутой вторичной обмоткой. Довольно резкое увеличение индуктивности при отключении нагрузки является непосредственным признаком того, что могут произойти плохие вещи.
Я провел несколько испытаний этого трансформатора тока. Рекомендуемая нагрузка составляет 100 Ом, поэтому при полном токе (5 А) вы измерите 500 мВ на нагрузочном резисторе. При 10 витках первичный ток полной шкалы составляет 0,5 А … точно так, как и ожидалось. При частоте 50 Гц и полном токе напряжение на нагрузочном резисторе составляло 500 мВ. Хотел посмотреть характеристики насыщения, а то даже при двойном номинальном токе (10А) не было видна насыщенность, пока частота не уменьшилась до 10Гц. Это хороший показатель используемого большого запаса прочности. Сам ТТ относится к категории, которую иногда называют «широкополосным». Ферритовый сердечник имеет меньшие потери на высоких частотах, чем сердечник из многослойной стали, и поэтому работает на гораздо более высоких частотах.
Хотя первичная обмотка считается одним витком, почти во всех случаях она просто проходит через центр сердечника трансформатора тока (см. рис. 17.2). Нет необходимости делать полный оборот в традиционном понимании. Когда трансформаторы тока монтируются на сверхпрочных шинах, а не на гибких кабелях, то даже невозможно сделать полный оборот, и, к счастью, в этом нет необходимости.
Сопротивление нагрузки размещено параллельно вторичной обмотке. Можно контролировать напряжение на нагрузке (а не ток через нее), потому что часто проще иметь выходное напряжение для работы, чем выходной ток. Однако в некоторых случаях небольшой (переменный) амперметр можно подключить непосредственно к выходным клеммам, чтобы можно было напрямую контролировать первичный ток. Простая схема на операционном усилителе также может использоваться для преобразования тока в напряжение. Обратите внимание, что можно закоротить вторичную обмотку, потому что будет протекать только расчетный ток (10 мА для примера, показанного ниже, при токе нагрузки 10 А). Используемый в моих тестах ТТ отлично работает при нагрузке 10 Ом или даже при коротком замыкании (хотя последнее бесполезно). Естественно, по мере уменьшения нагрузки уменьшается и развиваемое на ней напряжение.

Рисунок 17.2 – Схема подключения трансформатора тока
Очень важно, чтобы нагрузка не отключалась во время нормальной работы, так как вторичное напряжение может подняться до опасного уровня. Обычно это не проблема с маленькими ТТ, но если трансмиттер контролирует тысячу ампер или больше, это может стать серьезным риском. Вполне возможно, что ненагруженное выходное напряжение может превышать несколько тысяч вольт. Доступный ток обычно невелик для небольших трансформаторов тока, но с трансформатором, предназначенным для выхода 5 А, это будет чрезвычайно опасно. При использовании трансформаторов тока в крупных промышленных приложениях нередко можно обнаружить перемычку, которая должен быть подключен до того, как удаленный амперметр или другое оборудование будет отключено для обслуживания или калибровки (например).
В большинстве спецификаций трансформаторов тока указывается оптимальное (или максимальное) сопротивление нагрузки. Для трансформатора тока 1000:1, который у меня есть, есть таблица зависимости выходного напряжения от сопротивления нагрузки, где предпочтительным значением является 100 Ом. Можно использовать и другие (более высокие) значения, но за счет уменьшения полосы пропускания и/или линейности. Можно также использовать более низкие значения.
При номинальном входном токе 5 А вторичный ток составляет 5 мА (соотношение 1000:1). При нагрузке 100 Ом напряжение на резисторе составляет 500 мВ при полном номинальном первичном токе. Это просто основано на законе Ома…
V = I × R
В = 5 мА × 100 Ом = 0,5 В
Интересно, что если вторичный ток не потребляется (отсутствие нагрузочного резистора или слишком высокое значение), насыщение сердечника произойдет при относительно низком первичном токе (значительно ниже номинального тока), а выходное напряжение будет намного выше, чем ожидалось, и очень искаженный. В отличие от традиционных силовых трансформаторов напряжения, сердечники трансформаторов тока должны эксплуатироваться значительно ниже точки, при которой заметны даже малейшие эффекты насыщения, иначе становятся очевидными ошибки считывания. Эти трансформаторы используются для измерения или контроля тока, поэтому искажение насыщения должно быть как можно меньше для обеспечения точности измерения. Большинство ТТ имеют большой запас прочности для обеспечения точности.

Рисунок 17.3 – Насыщение трансформатора тока
Это то, что происходит при первичном токе 10 А, но без нагрузки. Хотя тестовый трансформатор рассчитан на 5 А, он отлично работает при удвоенном номинальном токе с нагрузкой 100 Ом. Без бремени все совсем по-другому! Как видите, выходной сигнал сильно искажен из-за сильного насыщения сердечника. Повторное подключение нагрузки 100 Ом мгновенно восстановило нормальное напряжение и форму волны, в данном случае чистую синусоиду со среднеквадратичным значением 1 В.
Без нагрузки ядро переходит в состояние жесткого насыщения, а вторичное напряжение значительно (и тревожно) возрастает. При 50 Гц и 10 А выходное напряжение сильно искажено и достигает 80 В пикового значения и 22 В среднеквадратичного значения. При 10 А (но с повышенной частотой, чтобы избежать насыщения) я смог измерить среднеквадратичное значение 200 В на вторичной обмотке. Это также вернулось к ожидаемому 1 В RMS, как только нагрузка 100 Ом была повторно подключена. Представьте, что могло бы случиться с вами, если бы трансформатор имел вторичную обмотку на 5 А и контролировал 10 000 А вместо 10 А, а нагрузка была отключена. Да, импеданс высок, но при доступном выходном токе 5А это чрезвычайно опасно, а очень высокое напряжение может также повредить изоляцию вторичной обмотки.
В Сети встречаются довольно странные «объяснения» того, почему при снятии нагрузки (нагрузки) повышается напряжение. Простым (и самым легким для понимания) является то, что, как уже отмечалось, это трансформатор тока . Выход вторичной обмотки определяется как ток, а не напряжение. Источник тока (и это то, чем на самом деле является ТТ) всегда будет пытаться заставить правильный ток течь в своей нагрузке (нагрузке) независимо от импеданса. Естественно, это может происходить только в пределах ограничений самого устройства, но именно это свойство и вызывает повышение напряжения. Если снять нагрузку, идеальный источник тока будет иметь бесконечное напряжение, поскольку он пытается направить ток в разомкнутую цепь. В действительности нормальные потери (потери в сердечнике, насыщение сердечника, индуктивность рассеяния, конечное сопротивление изоляции и т. д.) будут ограничивать фактическое напряжение, но в некоторых случаях не раньше, чем произойдет повреждение изоляции и выход из строя трансформатора и/или членов семьи электрика. короткая.
Сравните это с трансформатором напряжения , который пытается поддерживать расчетное выходное напряжение независимо от потребляемого тока. Опять же, потери означают, что короткое замыкание (эквивалент трансформатора напряжения разомкнутой цепи трансформатора тока) не приведет к протеканию бесконечного тока. Конечный результат будет одинаковым для обоих – сломанный трансформатор. Защитить и то, и другое несложно — предохранитель для трансформатора напряжения и что-то, что ограничивает выходное напряжение до безопасного значения для трансформатора тока (обсуждается ниже).
Как показали измеренные данные, при удалении нагрузки происходит резкое увеличение индуктивности первичной обмотки, а это означает, что напряжение на (чаще всего) одновитковой первичной обмотке будет пропорционально увеличиваться. Большее напряжение на первичной обмотке означает большее напряжение на вторичной — эта взаимосвязь сразу очевидна. Моделирование доказало это довольно убедительно и очень близко совпало с моими результатами измерений. Теперь вы знаете реальную причину повышения напряжения в – совершенно простую и вполне логичную… но это все еще источник тока.
Чтобы предотвратить выход из строя ТТ, просто добавьте предохранительный ограничитель напряжения, такой как MOV (металлооксидный варистор) или пару стабилитронов (соединенных последовательно, встречно-параллельно) параллельно вторичной обмотке. Это дешевая и эффективная мера безопасности для небольших трансформаторов тока с малым выходным током. При низком напряжении, обычно ожидаемом от ТТ, предохранительный зажим будет неактивным и не повлияет на показания. Для большого трансформатора тока, работающего с выходным током 5 А (например), требуется несколько более надежное решение, но принцип несложный и намного дешевле (и лучше), чем замена вышедшего из строя трансформатора или электрики.
То, о чем редко упоминают, интересно и полезно, и было затронуто выше. Если трансформатор тока рассчитан на 5 А (например, тот, который я использовал для своих тестов), вы можете повысить точность при малых токах, намотав больше витков через сердечник. Если вы сделаете 10 витков первичной обмотки вместо обычного одного витка, вы получите полный номинальный ток вторичной обмотки 5 мА при токе первичной обмотки всего 500 мА. Мы ожидаем, что когда витки добавляются к первичной обмотке, напряжение уменьшается — в этом отношении трансформатор тока не соответствует обычным правилам, применимым к трансформаторам. Спешу заверить читателя, что никакие правила не нарушены, а законы физики, какими мы их знаем, по-прежнему незыблемы. (Производители знают об этом и могут предоставить обширную помощь пользователю, но в большинстве статей в Сети об этом не упоминается.)
Помните ампер-витки, упомянутые ранее? Вот ключ к тому, что происходит – умножьте ток в амперах на количество витков. Если 1А протекает через 1 виток, это 1 ампер-виток. Если у нас есть 10 витков и 100 мА, это также 1 ампер-виток. На вторичной стороне (транзистор 1000:1) у нас есть 1000 витков при 1 мА — по-прежнему 1 ампер-виток. Та же концепция применяется независимо от соотношения витков или первичного/вторичного тока.
Одна вещь должна быть совершенно ясной – ток, используемый в измерительной цепи, подключенной к вторичной обмотке, не является свободной энергией. Если у нас есть первичное напряжение 230 В, ток нагрузки 10 А и вторичный ток 10 мА при общем сопротивлении 100 Ом (1 В), напряжение на нагрузке фактически составляет 229 Ом. 0,999 В (разница в 1 мВ без учета потерь). Мощность нагрузки снижается на 10 мВт. Это легко определить …
P = V × I
P = 1 мВ × 10 А = 10 мВт (первичная сторона — передается на вторичную)
P = 1 В × 10 мА = 10 мВт (вторичная — эта мощность рассеивается в нагрузке и сопротивлении обмотки)
Потери 10мВт граничат с незначительными, но важно понимать, что там есть потерь, и как все потери они накапливаются. Добавление трансформатора тока в цепь вряд ли приведет к измеримым потерям в действительности, потому что нормальное сопротивление кабеля в силовых цепях вызовет потери, которые на порядки больше.
Как и ожидалось, вы не найдете трансформаторов тока 1 А с выходом 5 А – выход трансформатора тока равен , всегда ожидается, что будет очень небольшой долей тока нагрузки.
Во время моих тестов я обнаружил, что предел высоких частот был намного больше, чем у усилителя, который я использовал для тестирования трансивера – не было никаких признаков спада ВЧ даже на 20 кГц. Когда используется правильный нагрузочный резистор, полоса пропускания большинства малых трансформаторов тока обычно намного больше, чем необходимо для большинства обычных измерений тока.
Однако имейте в виду, что сильноточные трансформаторы тока с многослойным стальным сердечником будут иметь гораздо более узкую полосу пропускания, которая может достигать нескольких сотен герц. Потери в железе резко возрастают с увеличением частоты и вызывают значительные потери на ВЧ. В некоторых трансформаторах тока используется небольшая катушка вокруг части разъемного многослойного стального сердечника (обычно используется в токоизмерительных клещах), и они имеют очень плохие характеристики ВЧ. Также стоит отметить, что в настоящее время существуют изолированные ИС для измерения тока (использующие датчики на эффекте Холла), которые заменяют многие традиционные приложения ТТ на печатных платах. Однако КТ с нами уже более 100 лет, и вряд ли что-то полностью заменит его еще очень долго.
Устройства контроля тока на эффекте Холла в виде готовых интегральных схем полезны и интересны, но, в частности, шумовые характеристики хуже, чем у трансформатора тока. Устройство на эффекте Холла, способное выдерживать 10 А, будет практически бесполезным при 50 мА из-за шума, а при токе, лишь незначительно превышающем номинальное значение, устройство станет сильно нелинейным. Для сравнения, трансформатор тока на 5 А, который я использовал для этих испытаний, может работать с , в 10 раз превышающим номинальный ток (50 А) с очень небольшой нелинейностью!
Это было краткое введение в удивительный мир трансформаторов тока, и мы надеемся, что оно развеет некоторые заблуждения, которых, кажется, предостаточно. Ничего сложного, просто другой взгляд на знакомый компонент. Большинство людей никогда не будут использовать трансформатор тока, а многие даже не узнают о существовании такого устройства, пока не прочитают эту главу.
Для тех, кому необходимо контролировать ток при сервисных или проектных работах, обратите внимание на проект 139. . Здесь используется датчик Холла, а не трансформатор тока. Этот тип преобразователя имеет более широкий диапазон, лучшую высокочастотную характеристику и более гибкий, чем трансформаторы тока. Они также работают с постоянным током, что может быть преимуществом. Для тех, кому не нужна расширенная полоса пропускания или усиление, см. Project 139a — упрощенную версию монитора тока, в которой используется миниатюрный трансформатор тока 1000:1 (такой же, как тот, который использовался для описанных здесь тестов).
Стоит отметить, что вам может использовать операционный усилитель в качестве преобразователя тока в напряжение. Однако в этом редко возникает необходимость, потому что рекомендуемый нагрузочный резистор обеспечит более чем приемлемую точность для чего-либо, кроме сверхточных измерений. По этой причине преобразователь I/V на операционных усилителях не будет описываться, так как он не нужен в 99% обычных приложений и требует большой осторожности, чтобы обеспечить стабильность схемы, отсутствие смещения постоянного тока и т. д.
Также стоит понимать, что в качестве трансформатора тока можно использовать любой тороидальный трансформатор . Просто пропустите через центр токоведущий провод и вуаля! Создан трансформатор тока. Хотя это определенно работает (да, я пробовал это), определение оптимального сопротивления нагрузки будет утомительным, и если вы не выполните измерение, чтобы определить соотношение витков и определить количество первичных витков, калибровка будет сомнительной. Кроме того, тороидальные трансформаторы (даже небольшие) намного дороже, чем типичные специализированные трансформаторы тока, но это все же уловка, которую вы можете использовать, если вам нужно измерить большой ток, а под рукой нет подходящего трансформатора тока.
17.1 Катушки Роговского
Разновидностью «традиционного» трансформатора тока является катушка Роговского, названная в честь ее изобретателя (Вальтера Роговски). В этой катушке не используется сердечник, и она намеренно сделана таким образом, чтобы оставить зазор в обмотке, чтобы ее можно было разместить вокруг проводника с током без разрыва цепи. Как показано ниже, «другой» конец обмотки проходит через центр витков, поэтому два конца обмотки доступны на одном конце катушки. Физическая конструкция широко варьируется, типичные катушки рассчитаны на номинальные токи от 30 до 6000 А и более. Большинство из них используют какой-то «столяр», чтобы гарантировать, что два конца выровнены одинаково при каждом использовании. Это уменьшает ошибки измерения.

Рисунок 17.4 – Катушка Роговского
Обычно используется более толстый провод или гибкая трубка, проходящая через центр, и это создает удобный каркас для обмоток. Если центральная обмотка изготовлена из подходящего (немагнитного) материала, ее легко согнуть вокруг измеряемого проводника. Выходной сигнал пояса Роговского зависит от скорости изменения тока нагрузки, и для получения выходного сигнала, соответствующего исходной форме тока нагрузки, требуется интегратор. Маловероятно, что многие читатели будут использовать катушки Роговского, но если вы это сделаете, в сети есть много информации. Поэтому я не собираюсь вдаваться в подробности.
Чувствительность несколько ниже, чем у традиционных трансформаторов тока, хотя легко усиливается. В отличие от «обычного» трансформатора тока, если катушка разомкнута, высокое напряжение не генерируется, но также важно правильно расположить пояс Роговского (в идеале, чтобы проводник с током проходил по центру катушки). У многих погрешность небольшая, но не все ведут себя одинаково. Линейность очень хорошая, потому что нет магнитопровода, который бы насыщался при больших токах.
18 Постоянный ток в обмотках трансформатора
Это не то, о чем вы найдете много информации, и из различных схем, которые я видел в Сети, это то, что можно даже полностью игнорировать. В общем, принято, что в обмотках трансформатора вообще не будет (или не должно быть) постоянного тока, но легко сделать предположение или «упрощение», которое имеет довольно ужасные последствия. Достаточно просто добавить однополупериодный выпрямитель, а удивительно малый ток приведет к значительному увеличению тока намагничивания трансформатора. Нескольких сотен миллиампер может быть достаточно, чтобы перегреть даже довольно большой трансформатор до такой степени, что он выйдет из строя.

Рисунок 18.1 – Схема проверки трансформатора
Трансформатор тока на самом деле пр.139А, простой и дешевый трансформатор тока в коробке с сетевыми входными и выходными розетками. Это чрезвычайно полезная часть испытательного оборудования, и она использовалась для всех текущих трассировок сигналов, показанных в этой статье.
Используемая тестовая схема показана выше. Включив (или выключив) второй диод, можно было измерить, что происходит, когда схема меняется с двухполупериодного выпрямления на однополупериодное. Как и ожидалось, среднее значение постоянного напряжения и тока с двухполупериодным выпрямителем было в два раза больше, чем при использовании однополупериодного выпрямителя, а выходная мощность увеличилась в 4 раза. но он больше не был строго асимметричным. Этот тест демонстрирует очень неэффективный характер однополупериодного выпрямителя и показывает, что первичный ток намного выше, чем он должен быть для данного выходного тока.

Рисунок 18.2 – Форма кривой тока намагничивания (среднеквадратичное значение 51,5 мА)
В качестве эксперимента я использовал обычный (E-I) трансформатор 200 ВА 28-0-28 В и установил напряжение сети ниже нормального, чтобы ток намагничивания был достаточно чистым, как показано выше. В данном случае я использовал входное напряжение 185В на номинальной первичной обмотке трансформатора 220В. Ток намагничивания был измерен при 51,5 мА. Затем я добавил однополупериодный выпрямитель и менял сопротивление нагрузки до тех пор, пока ток намагничивания не удвоился (нагрузка 50 Ом была идеальной). Требовался только средний вторичный ток 189мА между одной обмоткой 28 В и общей для удвоения входного тока. Помните, что это трансформатор на 200 ВА, который обычно должен выдавать до 3,8 А от вторичной обмотки.

Рисунок 18.3. Форма кривой входного тока при 189 мА постоянного тока через вторичную обмотку (99,7 мА среднеквадратичное значение)
После того, как во вторичной обмотке появился постоянный ток, форма сигнала резко изменилась и показала сильное насыщение. Форма сигнала сильно искажена, а входной ток сети увеличился с 51,5 мА до 99,7 мА. Поскольку всего 189 мА постоянного тока вторичной обмотки от обмотки 28 В вызвали удвоение тока намагничивания, вы можете себе представить, какой ток будет потребляться, если кто-то достаточно глуп, чтобы попытаться получить что-то даже близкое к номинальному току с помощью однополупериодного выпрямителя. Когда выпрямитель был перемонтирован на двухполупериодный, ток сети почти не изменился, но выходной постоянный ток увеличился со 189мА до 388 мА (достаточно близко к удвоению).

Рисунок 18.4 – Форма кривой входного тока без постоянного тока (среднеквадратичное значение 101 мА)
На приведенном выше снимке экрана видно, что форма волны симметрична с двухполупериодным выпрямителем (обратите внимание, что мостовые выпрямители всегда являются двухполупериодными). Нет никаких признаков «однополярного» насыщения, и, как описано выше, мощность нагрузки увеличивается в четыре раза при том же входном токе. Трансформатор будет намного счастливее, и его можно будет использовать до полного номинального тока.
Тот же тест с тороидальным трансформатором даст намного большее увеличение с однополупериодным выпрямителем, потому что они имеют гораздо более плотную магнитную цепь, которая гораздо менее устойчива к любой составляющей постоянного тока в обмотках. Простой факт заключается в том, что ни один трансформатор никогда не должен работать в однополупериодном выпрямителе, даже при малом токе. Диоды настолько дешевы, что пытаться обойтись одним диодом — это ложная экономия, когда еще три означают, что у вас есть двухполупериодный выпрямитель и нет проблем с постоянным током. На самом деле, это никогда не должно быть проблемой. Мостовые выпрямители являются стандартными почти для всех используемых сегодня источников питания, и никто не должен использовать однополупериодные выпрямители ни для чего. Даже там, где ток всего несколько миллиампер, это просто плохая идея.
19 Автотрансформаторы
Автотрансформатор (или автотрансформатор) — это особый случай, и в этом типе операций есть вещи, которые кажутся нелогичными. Любой трансформатор с разделенной первичной обмоткой можно использовать в качестве автотрансформатора, и при условии, что две обмотки имеют одинаковое напряжение, выходное напряжение будет вдвое или вдвое больше входного напряжения. Как и в любом трансформаторе, существуют потери в меди, которые определяют регулирование, но в остальном он работает точно так, как предсказывает теория. Или это так?
Прежде чем я продолжу, следует отметить, что использование автотрансформатора для питания оборудования на 120 В (или 115 В, если хотите) от сети 230 В может быть очень опасным и вообще по возможности избегать. Вместо этого используйте разделительный трансформатор. Он будет больше и дороже, но обеспечит барьер безопасности, который не может обеспечить автотрансформатор. потому что он состоит из одной обмотки с центральным отводом. Некоторое оборудование на 120 В потенциально очень небезопасно при подключении к источнику питания 230 В, поскольку оно может не иметь заземления, а в случае гитарные усилители могут включать конденсатор от одной или другой сетевой клеммы к шасси. Они широко известны среди ремонтников как «мёртвые колпачки», потому что когда ( не если) они в случае отказа шасси может оказаться под напряжением.
Автотрансформатор имеет одну обмотку с отводом на выходе. Изменяя соотношение витков между двумя секциями обмотки, можно изменить отношение входного напряжения к выходному. Одним из самых распространенных вариантов использования переменного автотрансформатора является Variac ™, один из самых полезных элементов оборудования, которым вы можете владеть, если вы работаете с источниками питания или ремонтируете оборудование для жизни или для удовольствия. У них есть собственная страница на сайте ESP.
Одним из преимуществ фиксированных (в отличие от регулируемых, таких как Variac) понижающих автотрансформаторов является то, что они меньше, легче и дешевле, чем «традиционные» двухобмоточные трансформаторы. Во многих случаях это несомненное преимущество, особенно в промышленных системах управления, где изоляция не требуется, а обычный трансформатор значительно увеличивает стоимость. Это особенно верно для высоких номиналов ВА, где улучшенное регулирование также может быть преимуществом.
Интересно, что почти все, кто пишет об автотрансформаторах, скажут вам, что они меньше, легче и дешевле, но большинство не скажет почему. Причина довольно проста. Поскольку есть только одна обмотка, окно обмотки может быть полностью заполнено только этой обмоткой, поэтому можно использовать больше витков провода большего сечения, и, следовательно, сердечник может быть меньше (поскольку витков больше) и все еще оставаться в допустимом диапазоне. плотности потока.
В обычном двухобмоточном (изолированном) трансформаторе для каждой обмотки доступна только половина площади окна обмотки, поэтому требуется сердечник большего размера, поскольку первичная обмотка все еще должна иметь достаточное количество витков, а для вторичной требуется место. Кроме того, требуется изоляция между первичной и вторичной обмотками (в автотрансформаторе она не требуется), которая также занимает ценное место в окне обмотки.
Вы также можете использовать обычный трансформатор с двойной обмоткой в качестве автотрансформатора, если он имеет двойную первичную обмотку или первичную обмотку с отводом от середины. При таком использовании вы можете одновременно потреблять ток от вторичной обмотки, при условии, что общая мощность ВА не превышает таковую для трансформатора. Например, трансформатор 230 В, 200 ВА имеет допустимый максимальный первичный ток 870 мА, поэтому вы можете потреблять 0,5 А от центрального ответвления (при 115 В, то есть 57,5 ВА) и еще 142 ВА от обычной вторичной обмотки или вторичных цепей. Если вторичное напряжение составляет (скажем) 60 В, вы можете одновременно потреблять до 2,375 А (142,5 ВА) от вторичного. Итого от трансформатора по-прежнему 200 ВА. Не допускается превышение номинальной мощности трансформатора, ВА, и должны быть включены все выходы. Часто это плохая идея, так как первичный ток может быть превышен, но это полезно для питания, например) вентилятора 120 В в системе 230 В.
Автотрансформатор не изолирует вход от выхода , что делает его совершенно непригодным для использования там, где важна электробезопасность, например, в стационарной проводке или для электроинструментов. В зависимости от типа неисправности электрический защитный выключатель (реле баланса ядер, детектор утечки на землю, устройство защитного отключения и т. д.) может сработать или не сработать при контакте с выходом автотрансформатора. Заявления о том, что они каким-то образом «безопаснее», чем двухобмоточные трансформаторы, являются просто чепухой, если вам случится с ними столкнуться (да, я видел это заявление, но я не говорю где, потому что они не заслуживают ссылки. . Если безопасность имеет первостепенное значение, тогда трансформаторы с двойной обмоткой (изоляцией) предпочтительнее, опционально с электрическим защитным выключателем в составе установки, если это разрешено местным законодательством. Мировые правила электробезопасности указывают на то, что трансформаторы с двойной обмоткой (изоляцией) по своей природе намного безопаснее, чем автотрансформаторы.
Вы можете встретить автотрансформаторы, используемые для повышения и понижения, но последнее встречается гораздо чаще. Общий вид автотрансформатора показан ниже. Я предполагаю, что здесь используется трансформатор 2:1, который можно использовать для снижения 230 В до 115 В. При правильном проектировании 115 В переменного тока можно подать в точку «В», и вы получите 230 В в точке «А» — повышающий режим. В этом случае входной ток будет вдвое больше выходного тока, и половина входного тока будет течь в каждой половине обмотки (т. е. половина течет от «В» к «С», а другая половина от «В» к « А’).

Рисунок 19.1 – Общий вид понижающего автотрансформатора
Мощность подается на нагрузку двумя отдельными механизмами, хотя они неразрывно связаны между собой. От входа 50 % мощности поступает в нагрузку через верхнюю половину обмотки. Этот механизм полностью контролируется действием трансформатора за счет магнитного потока в сердечнике. Таким образом, «верхние» 50% связаны с нормальным действием трансформатора, а проводимость вообще не играет никакой роли (несмотря на некоторые объяснения, утверждающие, что верхние 50% возникают «из-за проводимости»). Остальные 50 % питаются от нижней обмотки, также за счет действия трансформатора. Два выходных тока суммируются в точке «В», обеспечивая в два раза больший выходной ток, чем входной ток. Это означает, что если мы потребляем 1А от ответвления, ток от сети будет 500мА. Половину тока нагрузки обеспечивает верхняя часть обмотки (от А до В), а другую половину — нижняя обмотка (от С до В).
Ток из нижней части обмотки совпадает по фазе с током из верхней обмотки, и каждая обмотка подает ток на нагрузку . Если вы изучите ток в точке «С», вы увидите, что он фактически на 180° не совпадает по фазе с током в точке «А». Это показывает, что нижняя обмотка подает ток. По сути, каждую половину обмотки можно рассматривать как подачу тока в противоположных направлениях — от точек «А» до «В» для верхней обмотки и от точек «С» до «В» для нижней обмотки.
Это может показаться невероятным, но тем не менее это правда. Каждая половина обмотки будет нести 500 мА, а две вместе в центральном ответвлении дают выходной ток 1 А. Две половины обмотки связаны магнитным потоком сердечника, поэтому они не выглядят как две последовательно соединенные индуктивности, как можно было бы ожидать. Потокосцепление — настоящий секрет любого трансформатора, но в случае с автотрансформатором он гораздо менее очевиден.
Также обратите внимание, что трансформатору все равно, подключена ли нагрузка от «А» к «В» или от «В» к «С», как показано выше. Конечный результат идентичен, но если нагрузка находится между «A» и «B», выходное напряжение 115 В относится к активному проводнику (230 В переменного тока), что представляет угрозу безопасности. Существуют и другие соображения и возможности (например, отдельные нагрузки 115 В для каждой половины всей обмотки), но они, как правило, бесполезны, их может быть трудно рассчитать, и они здесь не рассматриваются. Как отмечено на рисунке, полярность (активная и нейтральная) сети и выхода имеет решающее значение. В целях безопасности груз должен соединиться между точками «B» и «C», даже если он будет работать в любом случае!
Если обмотки больше не равны, выходное напряжение и распределение тока между обмотками определяется количеством витков в каждой секции обмотки. Если в верхней обмотке 1000 витков, а в нижней обмотке 100 витков, коэффициент понижения составляет 11: 1, поэтому входное напряжение 230 В приведет к выходному напряжению 21 В. Может быть не сразу очевидно, почему коэффициент понижения составляет 11: 1, а не 10: 1, как вы могли бы ожидать.
Все просто – у общая первичная обмотка составляет 1100 витков, а у не 1000 витков, потому что две обмотки соединены последовательно. Это одна из многих вещей в автотрансформаторах, которая кажется бессмысленной, пока вы не посмотрите на нее должным образом. Стоит отметить, что высокие коэффициенты никогда не должны использоваться с автотрансформаторами . Общая рекомендация заключается в том, что для всего, что превышает 3:1 (или 1:3 для повышения), следует использовать обычный двухобмоточный трансформатор. Трансформатор с низким выходным напряжением, но не изолированный от сети, небезопасен — до такой степени, что его следует рассматривать как чрезвычайно опасно, если только низкое напряжение не находится полностью внутри оборудования и недоступно для пользователя. Даже в этом случае может быть опасно, если специалист по обслуживанию не знает, что обмотка низкого напряжения находится под потенциалом сети.
Изолированные понижающие трансформаторы, предназначенные для электробезопасности, обычно должны использоваться для питания только одного прибора или электроинструмента. Когда несколько устройств питаются от одного и того же трансформатора, могут применяться особые правила (например, в Великобритании есть требование к изолирующим безопасным трансформаторам для строительных площадок, и они должны использоваться, как описано в их руководствах по эксплуатации).
Автотрансформатор Трансформатор с двойной обмоткой
Одна обмотка на фазу Пара обмоток на фазу
Первичная и вторичная обмотки на одной обмотке Первичная и вторичная обмотки на отдельных обмотках
Передача энергии индукцией Передача энергии индукцией
Нагрузка электрически подключена к источнику Нагрузка электрически изолирована от источника
Меньше Материал обмотки Больше Материал обмотки
Более высокий КПД Более низкий КПД
Двухобмоточный трансформатор
В приведенной выше таблице показаны общие различия между автоматическим и двухобмочным трансформаторами. Это только базовый список, и большинству людей никогда не следует использовать автотрансформатор в каком-либо оборудовании просто потому, что он небезопасен по своей сути. Остерегайтесь коммерческих понижающих трансформаторов, не имеющих двойной обмотки — их обычно легко найти в продаже на интернет-аукционах. Если вы ищете понижающий трансмиттер и находите тот, который меньше и дешевле, чем другие, которые вы видите, это означает, что это, вероятно, автотрансформатор, и он должен не использовать, если вы не уверены на 100%, что он может никогда не создавать опасности. При использовании с оборудованием 115-120 В от сети 230 В такого уровня достоверности достичь очень сложно.
Используйте эти ссылки для других разделов этой серии.
Каталожные номера
При составлении этой статьи было исследовано бесчисленное множество различных книг и веб-страниц, и, хотя некоторые из них были интересными, большинство из них было малопригодным. Из тех, кого я действительно помню (сложная задача сама по себе, учитывая огромное количество поисков, которые мне пришлось выполнить), я должен отдать должное следующим веб-страницам (в алфавитном порядке) …
Амидон
Школа ATDL (армия США)
Дженсен Трансформеры
Митчелл Электроникс Корпорейшн
Томи Энгдал – (ePanorama.net)
Кроме того, я использовал различные другие ссылки, но особенно (в порядке убывания полезности) …
Справочник конструктора Radiotron – F Langford-Smith (4-е издание)
Basic Electronics — Grob, третье издание (McGraw-Hill)
Технические характеристики
Miniwatt — Philips Elcoma, 7-е издание, 1972 (Филипс)
Справочник по применению выпрямителей Motorola (3-е издание)
Электричество в сети по странам
Планар Против. Обычный трансформатор
Электрические технологии – 5-е издание, 6-е впечатление, 1985 г., глава 14 – Эдвард Хьюз
Катушка Роговского — Википедия
Загрузите аккуратный маленький калькулятор-трансформер Сильвио Клаика с его веб-сайта
Обратите внимание, что для трансформаторов тока цитируется только несколько ссылок, потому что большинство из них, которые я нашел, либо не содержали ничего, чего я уже не знал, либо были чрезмерно техническими, но при этом не содержали ничего нового, либо содержали неточности/неверную информацию. В целом, вы можете доверять данным производителей, поскольку они знают, что делают.
Измерительный трансформатор Основная техническая информация и применение, GE
Nuvotem/Talema AC1005 Трансформатор тока Лист данных
Следующие (отредактированные) определения взяты из единиц измерения
Авторские права на сайт единиц измерения принадлежат Рассу Роулетту и Университету Северной Каролины в Чапел-Хилл.
Определения использованы с разрешения автора.
Тесла (Тл) – плотность потока (или напряженность поля) для магнитных полей (также называемая магнитной индукцией). Напряженность магнитного поля можно измерить, поместив в поле проводник с током. Магнитное поле действует на проводник с силой, зависящей от силы тока и длины проводника. Один тесла определяется как напряженность поля, создающая один ньютон силы на ампер тока на метр проводника. Эквивалентно, один Тесла представляет собой плотность магнитного потока в один Вебер на квадратный метр площади. Поле в один тесла довольно сильное: самые сильные поля, доступные в лабораториях, составляют около 20 тесла, а плотность магнитного потока Земли на ее поверхности составляет около 50 микротесла (мкТл). Одна Тесла равна 10 000 Гс. Тесла, определенная в 1958, назван в честь Николы Теслы (1856-1943), чья работа в области электромагнитной индукции привела к созданию первых практических генераторов и двигателей, использующих переменный ток (к большому неудовольствию Эдисона, который утверждал, что постоянный ток «безопаснее»).
Вебер (Вб) – магнитный поток. «Поток» — это скорость (в единицу времени), с которой что-то пересекает поверхность, перпендикулярную потоку. В случае магнитного поля магнитный поток через перпендикулярную поверхность является произведением плотности магнитного потока в Теслах и площади поверхности в квадратных метрах. Если переменное магнитное поле проходит перпендикулярно через круглую петлю из проводящего материала (один виток), изменение поля индуцирует электрический потенциал в петле. Если поток изменяется с постоянной скоростью один Вебер в секунду, индуцированный потенциал равен одному вольту. Эта единица посвящена немецкому физику Вильгельму Эдуарду Веберу (1804-189 гг.).1), один из первых исследователей магнетизма.
Магнитная терминология
Этот список далеко не полный, но его будет достаточно, чтобы начать или отпугнуть вас. Я включил символы и единицы только четырех из приведенных ниже статей, поскольку большинство из них не представляют реального интереса или не имеют символа как такового.
Коэрцитивность – это напряженность поля, которая должна быть приложена для уменьшения (или принуждения ) остаточного потока до нуля. Материалы с высокой коэрцитивной силой (например, те, которые используются для постоянных магнитов) называются жесткий . Материалы с низкой коэрцитивной силой (используемые для трансформаторов) называются мягкими .
Эффективная площадь – сердечника представляет собой площадь поперечного сечения центральной ветви для пластин E-I или общую площадь для тороида. Обычно это соответствует физическим размерам сердечника, но, поскольку флюс может распределяться неравномерно, производитель может указать значение, отражающее это.
Эффективная длина – сердечника – это расстояние, которое проходит магнитный поток при замыкании цепи. Обычно это точно соответствует среднему значению физических размеров сердечника, но поскольку поток имеет тенденцию концентрироваться на внутренних углах пути, производитель может указать значение эффективной длины.
Плотность потока – (символ; B, единица измерения; Тесла (T)) представляет собой просто общий поток, деленный на эффективную площадь магнитной цепи, через которую он протекает.
Потокосцепление – в идеальной катушке индуктивности поток, создаваемый одним витком, будет содержаться во всех остальных витках. Реальные катушки приближаются к этому идеалу, когда другие размеры катушки малы по сравнению с ее диаметром или если подходящий сердечник направляет поток через обмотки.
Магнитодвижущая сила – МДС можно рассматривать как магнитный эквивалент электродвижущей силы. Это произведение тока, протекающего в катушке, и числа витков, составляющих катушку.
Напряженность магнитного поля – (обозначение: Н, единица; амперметры (А·м ^-1 )) когда в проводнике протекает ток, он всегда сопровождается магнитным полем. Сила или интенсивность этого поля пропорциональна силе тока и обратно пропорциональна расстоянию от проводника (отсюда и верхний индекс -1).
Магнитный поток – (символ: Φ; единица измерения: Webers (Wb)) мы называем магнетизм силовыми линиями или потоком, который является мерой общего количества магнетизма.
Проницаемость – (символ; µ, единицы: Генри на метр (Hm ^-1 ) определяется как отношение плотности потока к напряженности поля и определяется типом материала в пределах магнитного поля, т.е. сам материал сердечника. Большинство ссылок на проницаемость на самом деле относятся к «относительной проницаемости», поскольку проницаемость почти всех материалов изменяется в зависимости от напряженности поля (и в большинстве случаев — особенно в ферритах — также от температуры).
Остаточная намагниченность – (или остаточная намагниченность) плотность магнитного потока, которая остается в магнитном материале после удаления внешнего приложенного поля. Трансформаторы и двигатели переменного тока (асинхронные) требуют минимально возможной остаточной намагниченности, в то время как постоянным магнитам требуется высокое значение остаточной намагниченности, чтобы они оставались намагниченными.
Основной индекс Указатель статей
Уведомление об авторских правах. Эта статья, включая, помимо прочего, весь текст и диаграммы, является интеллектуальной собственностью Рода Эллиотта и защищена авторским правом © 2001. Воспроизведение или повторная публикация любыми средствами, будь то электронными, механическими или электромеханическими, строго запрещены в соответствии с Международные законы об авторском праве. Автор (Род Эллиотт) предоставляет читателю право использовать эту информацию только в личных целях, а также разрешает сделать одну (1) копию для справки.
Добавить комментарий Отменить ответ
Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *
Комментарий *
Имя *
Email *
Сайт

Рубрики
Винторезные станки
Вопросы и ответы
Карусельные станки
Советы мастера
Станок 1М63
Токарные станки
Фрезерные станки
Разное
2019 © Все права защищены. Карта сайта

Класс	Режим ¹	Табличка Вольт	Пластина Ток	Экран Вольт	Экран Ток	Сетка Смещение	Нагрузка Полное сопротивление	Мощность Выход	Comments
Class-A	S-E	250	100	265	15	-13V	2,000	11 Вт	Питание пластины = 265 В, THD ² 10 %
Класс AB	P-P	375	2 x 75 ³ 2 x 95	365	2 x 11,5 2 x 22,5	-19 В	3400 (п-п) ⁴	35 Вт	Резистор смещения катода 130 Ом, резистор с общим экраном, 470 Ом, THD 5 %
Класс B	P-P	775	4 x 2	400	2 x 3,0 2 x 19	-39 В	11 000 (п-п)	100 Вт	Питание пластин, 800 В, THD 5 %
Класс A (триод)	S-E	375	70	–	–	-25 В	3000	6W	Катодный смещение резистора 370 Ом, экран, привязанный к пластине, 400 В.	–	–	-28 В	5000 (п-п)	16 Вт	Экран, закрепленный на пластине, резистор смещения катода 220 Ом, коэффициент нелинейных искажений 3%

1	S-E: Single Ended, P-P: Push-Pull
2	THD – Total Harmonic Distortion (this is for the valves only, and does not include transformer distortion)
3	Первая цифра – без нагрузки, вторая – полная мощность
4	размах: Полное сопротивление между пластинами

VA	Reg %	R _p Ω – 230V	R _p Ω – 120V	Diameter	Высота	Масса (кг)
15	18	195 – 228	53 – 62	60	31
30	16	89 – 105	24 – 28	70	32	0,46474
50	14	48 – 57	13 – 15	80	33	0,65
80	13	29 – 34	7,8 – 9,2	93	38	0,90
120	10	15 – 18	4,3 – 5,0	98	46
160	9	10 – 13	2,9 – 3,4	105	42
225	8	6,9 – 8,1	1,9 – 2,2	112	47	1,90
300	7	4,6 – 5,4	1,3 – 1,5	115	58
500	6	2,4 – 2,8	0,65 – 0,77	136	60
625	5	1,6 – 1,9	0,44 – 0,52	142	68	9,3074 9,3074
800	5	1,3 – 1,5	0,35 – 0,41	162	60	5,10
1000	5	1. 0 – 1.2	0.28 – 0.33	165	70	6.50

Класс	Макс. Темп.	Повышение температуры
А	105 °С	60 °С
Е	120 °С	75 °С
В	130 °С	80 °С
F	155°C	100°C
H	180–200 °C	125 °C
C (не глобально *)	220 °C	160 °C

Тип	Номинал	Индуктивность	Сопротивление	Обороты/Вольт	Намагничивание	Потери в сердечнике	Реактивное сопротивление	Масса (кг)
Toroidal	500VA	34.7 H	2R4	2	22mA	5.28W	10.91k ohms	5.0
Тороидальный	300 ВА	63 H	5R1	3	12 мА	2,88 Вт 7 7 4 4 75	мс	мс
E-I	350VA	4. 36 H	6R6	2	175mA	42W	1.37k ohms	3.2

X L = V / I	(где V — среднеквадратичное значение напряжения, а I — среднеквадратичное значение тока)
L = X L / ( 2π × f )	(где f — применяемая частота)

#	Secondary	VA	Primary	Secondary	Construction
1	12,6	2	762 мГн	2,35 мГн	E-I
2	15-0-15	80	6,4 мГн	130 мкГн	Тороидальный
3	25-0-25	160	1,8 мГн	180 мкГн	Тороидальный
4	28-0-28	200	8 мГн	570 мкГн	E-I
5	30-0-30	300	1,63 мГн	115 мкГн	Тороидальный

VA	Resistance	Regulation	VA	Resistance	Regulation
4	1100	30%	225ВА	8	8%
6	700	25%	300	4,7	6%
10	400	20%	500	2,3	4%
15	250	18%	625	1,6	4%
20	180	15%	800	1,4	4%
30	140	15%	1000	1,1	4%
50	60	13%	1500	0,8	4%
80	34	12%	2000	0,6	4%
120	22	10%	3000	0,4	4%
160	12	8%

Первичные витки	Первичная индуктивность
	Секунда Разомкнута	Секунда 100 Ом
1	1,5 мкГн	0,2 мкГн
10	144 мкГн	1,2 мкГн

Автотрансформатор	Трансформатор с двойной обмоткой
Одна обмотка на фазу	Пара обмоток на фазу
Первичная и вторичная обмотки на одной обмотке	Первичная и вторичная обмотки на отдельных обмотках
Передача энергии индукцией	Передача энергии индукцией
Нагрузка электрически подключена к источнику	Нагрузка электрически изолирована от источника
Меньше Материал обмотки	Больше Материал обмотки
Более высокий КПД	Более низкий КПД