Расчет трансформатора с тороидальным магнитопроводом. Расчет трансформатора

Простейший расчет силового трансформатора позволяет найти сечение сердечника, число витков в обмотках и диаметр провода. Переменное напряжение в сети бывает 220 В, реже 127 В и совсем редко 110 В. Для транзисторных нужно постоянное напряжение 10 - 15 В, в некоторых случаях, например для мощных выходных каскадов НЧ - 25÷50 В. Для анодных и экранных цепей электронных ламп чаще всего используют постоянное напряжение 150 - 300 В, для накальных цепей ламп переменное напряжение 6,3 В. Все напряжения, необходимые для какого-либо устройства, получают от одного трансформатора, который называют силовым.

Силовой трансформатор выполняется на разборном стальном сердечнике из изолированных друг от друга тонких Ш-образных, реже П-образных пластин, а так же вытыми ленточными сердечниками типа ШЛ и ПЛ (Рис. 1).

Его размеры, а точнее, площадь сечения средней части сердечника выбираются с учетом общей мощности, которую трансформатор должен передать из сети всем своим потребителям.

Упрощенный расчет устанавливает такую зависимость: сечение сердечника S в см², возведенное в квадрат, дает общую мощность трансформатора в Вт.

Например, трансформатор с сердечником, имеющим стороны 3 см и 2 см (пластины типа Ш-20, толщина набора 30 мм), то есть с площадью сечения сердечника 6 см², может потреблять от сети и "перерабатывать" мощность 36 Вт. Это упрощенный расчет дает вполне приемлемые результаты. И наоборот, для электрического устройства нужна мощность 36 Вт, то извлекая квадратный корень из 36, узнаем, что сечение сердечника должно быть 6 см².

Например, должен быть собран из пластин Ш-20 при толщине набора 30 мм, или из пластин Ш-30 при толщине набора 20 мм, или из пластин Ш-24 при толщине набора 25 мм и так далее.

Сечение сердечника нужно согласовать с мощностью для того, чтобы сталь сердечника не попадала в область магнитного насыщения. А отсюда вывод: сечение всегда можно брать с избытком, скажем, вместо 6 см² взять сердечник сечением 8 см² или 10 см². Хуже от этого не будет. А вот взять сердечник с сечением меньше расчетного уже нельзя т. к. сердечник попадет в область насыщения, а индуктивность его обмоток уменьшится, упадет их индуктивное сопротивление, увеличатся токи, трансформатор перегреется и выйдет из строя.

В силовом трансформаторе несколько обмоток. Во-первых, сетевая, включаемая в сеть с напряжением 220 В, она же первичная.

Кроме сетевых обмоток, в сетевом трансформаторе может быть несколько вторичных, каждая на свое напряжение. В трансформаторе для ламповых обычно две обмотки - накальная на 6,3 В и повышающая для анодного выпрямителя. В трансформаторе для транзисторных чаще всего одна обмотка, которая питает один выпрямитель. на какой-либо каскад или узел нужно подать пониженное напряжение, то его получают от того же выпрямителя с помощью гасящего резистора или делителя напряжения.

Число витков в обмотках определяется по важной характеристике трансформатора, которая называется "число витков на вольт", и зависит от сечения сердечника, его материала, от сорта стали. Для распространенных типов стали можно найти "число витков на вольт", разделив 50-70 на сечение сердечника в см:

Так, взять сердечник с сечением 6 см², то для него получится "число витков на вольт" примерно 10.

Определение мощности силового трансформатора

Для изготовления трансформаторных блоков питания необходим силовой однофазный трансформатор, который понижает переменное напряжение электросети 220 вольт до необходимых 12-30 вольт, которое затем выпрямляется диодным мостом и фильтруется электролитическим конденсатором .

Эти преобразования электрического тока необходимы, поскольку любая электронная аппаратура собрана на транзисторах и микросхемах, которым обычно требуется напряжение не более 5-12 вольт.

Чтобы самостоятельно собрать блок питания , начинающему радиолюбителю требуется найти или приобрести подходящий трансформатор для будущего блока питания. В исключительных случаях можно изготовить силовой трансформатор самостоятельно. Такие рекомендации можно встретить на страницах старых книг по радиоэлектронике.

Но в настоящее время проще найти или купить готовый трансформатор и использовать его для изготовления своего блока питания.

Полный расчёт и самостоятельное изготовление трансформатора для начинающего радиолюбителя довольно сложная задача. Но есть иной путь. Можно использовать бывший в употреблении, но исправный трансформатор. Для питания большинства самодельных конструкций хватит и маломощного блока питания, мощностью 7-15 Ватт.

Если трансформатор приобретается в магазине, то особых проблем с подбором нужного трансформатора, как правило, не возникает. У нового изделия обозначены все его главные параметры, такие как мощность , входное напряжение , выходное напряжение , а также количество вторичных обмоток, если их больше одной.

Но если в ваши руки попал трансформатор, который уже поработал в каком-либо приборе и вы хотите его вторично использовать для конструирования своего блока питания? Как определить мощность трансформатора хотя бы приблизительно? Мощность трансформатора весьма важный параметр, поскольку от него напрямую будет зависеть надёжность собранного вами блока питания или другого устройства. Как известно, потребляемая электронным прибором мощность зависит от потребляемого им тока и напряжения, которое требуется для его нормальной работы. Ориентировочно эту мощность можно определить, умножив потребляемый прибором ток (I н на напряжение питания прибора (U н ). Думаю, многие знакомы с этой формулой ещё по школе.

P=U н * I н

Где U н – напряжение в вольтах; I н – ток в амперах; P – мощность в ваттах.

Рассмотрим определение мощности трансформатора на реальном примере. Тренироваться будем на трансформаторе ТП114-163М. Это трансформатор броневого типа, который собран из штампованных Ш-образных и прямых пластин. Стоит отметить, что трансформаторы такого типа не самые лучшие с точки зрения коэффициента полезного действия (КПД ). Но радует то, что такие трансформаторы широко распространены, часто применяются в электронике и их легко найти на прилавках радиомагазинов или же в старой и неисправной радиоаппаратуре. К тому же стоят они дешевле тороидальных (или, по-другому, кольцевых) трансформаторов, которые обладают большим КПД и используются в достаточно мощной радиоаппаратуре.

Итак, перед нами трансформатор ТП114-163М. Попробуем ориентировочно определить его мощность. За основу расчётов примем рекомендации из популярной книги В.Г. Борисова «Юный радиолюбитель».

Для определения мощности трансформатора необходимо рассчитать сечение его магнитопровода. Применительно к трансформатору ТП114-163М, магнитопровод – это набор штампованных Ш-образных и прямых пластин выполненных из электротехнической стали. Так вот, для определения сечения необходимо умножить толщину набора пластин (см. фото) на ширину центрального лепестка Ш-образной пластины.

При вычислениях нужно соблюдать размерность. Толщину набора и ширину центрального лепестка лучше мерить в сантиметрах. Вычисления также нужно производить в сантиметрах. Итак, толщина набора изучаемого трансформатора составила около 2 сантиметров.

Далее замеряем линейкой ширину центрального лепестка. Это уже задача посложнее. Дело в том, что трансформатор ТП114-163М имеет плотный набор и пластмассовый каркас. Поэтому центральный лепесток Ш-образной пластины практически не видно, он закрыт пластиной, и определить его ширину довольно трудно.

Ширину центрального лепестка можно замерить у боковой, самой первой Ш-образной пластины в зазоре между пластмассовым каркасом. Первая пластина не дополняется прямой пластиной и поэтому виден край центрального лепестка Ш-образной пластины. Ширина его составила около 1,7 сантиметра. Хотя приводимый расчёт и является ориентировочным , но всё же желательно как можно точнее проводить измерения.

Перемножаем толщину набора магнитопровода (2 см .) и ширину центрального лепестка пластины (1,7 см .). Получаем сечение магнитопровода – 3,4 см 2 . Далее нам понадобиться следующая формула.

Где S – площадь сечения магнитопровода; P тр – мощность трансформатора; 1,3 – усреднённый коэффициент.

После нехитрых преобразований получаем упрощённую формулу для расчёта мощности трансформатора по сечению его магнитопровода. Вот она.

Подставим в формулу значение сечения S = 3,4 см 2 , которое мы получили ранее.

В результате расчётов получаем ориентировочное значение мощности трансформатора ~ 7 Ватт. Такого трансформатора вполне достаточно, чтобы собрать блок питания для монофонического усилителя звуковой частоты на 3-5 ватт, например, на базе микросхемы усилителя TDA2003.

Вот ещё один из трансформаторов. Маркирован как PDPC24-35. Это один из представителей трансформаторов – «малюток». Трансформатор очень миниатюрный и, естественно, маломощный. Ширина центрального лепестка Ш-образной пластины составляет всего 6 миллиметров (0,6 см.).

Толщина набора пластин всего магнитопровода – 2 сантиметра. По формуле мощность данного мини-трансформатора получается равной около 1 Вт.

Данный трансформатор имеет две вторичные обмотки, максимально допустимый ток которых достаточно мал, и составляет десятки миллиампер. Такой трансформатор можно использовать только лишь для питания схем с малым потреблением тока.

Возникла необходимость в мощном блоке питания. В моём случае имеются два магнитопровода броневой-ленточный и тороидальный. Броневой тип: ШЛ32х50(72х18) . Тороидальный тип: ОЛ70/110-60.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ для расчёта трансформатора с тороидальным магнитопроводом:

• напряжение первичной обмотки, U1 = 220 В;
• напряжение вторичной обмотки, U2 = 36 В;
• ток вторичной обмотки, l2 = 4 А;
• внешний диаметр сердечника, D = 110 мм;
• внутренний диаметр сердечника, d = 68 мм;
• высота сердечника, h = 60 мм.

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. Приступаем к расчёту трансформатора с магнитопроводом типа ОЛ70/110-60.

Программный (он-лайн) 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.

Формулы и таблицы для ручного расчет трансформатора:

1. Мощность вторичной обмотки;

2. Габаритная мощность трансформатора;

3. Фактическое сечение стали магнитопровода в месте расположения катушки трансформатора;

4. Расчётное сечение стали магнитопровода в месте расположения катушки трансформатора;

5. Фактическая площадь сечения окна сердечника;

6. Величина номинального тока первичной обмотки;

7. Расчёт сечения провода для каждой из обмоток (для I1 и I2);

8. Расчет диаметра проводов в каждой обмотке без учета толщины изоляции;

9. Расчет числа витков в обмотках трансформатора;

n - номер обмотки,
U’ - падение напряжения в обмотках, выраженное в процентах от номинального значения, см. таблицу.

В тороидальных трансформаторах относительная величина полного падения напряжения в обмотках значительно меньше по сравнению с броневыми трансформаторами.

10. Расчет числа витков приходящихся на один вольт;

11. Формула для расчёта максимальной мощности которую может отдать магнитопровод;

Sст ф - фактическое сечение стали имеющегося магнитопровода в месте расположения катушки;

Sок ф - фактическая площадь окна в имеющемся магнитопроводе;

Вмах- магнитная индукция, см. табл.№5;

J - плотность тока, см. табл.№3;

Кок - коэффициент заполнения окна, см. табл.№6;

Кст - коэффициент заполнения магнитопровода сталью, см. табл.№7;

Величины электромагнитных нагрузок Вмах и J зависят от мощности, снимаемой со вторичной обмотки цепи трансформатора, и берутся для расчетов из таблиц.

Определив величину Sст*Sок, можно выбрать необходимый линейный размер магнитопровода, имеющий соотношение площадей не менее, чем получено в результате расчета.