Transformatory sieciowe


Transformatory sieciowe

Autor: R.T.
Radioamator i Krótkofalowiec, Rok 26, Kwiecień 1975r., Nr 4

   Gruntowna znajomość transformatorów jest stosunkowo rzadkim przypadkiem nawet wśród doświadczonych radioamatorów. Przeważnie opanowuje się podstawowe zasady oraz technikę projektowania i budowy prostych transformatorów stosunkowo małej mocy. Początkujący radioamatorzy mogą posługiwać się jeszcze dalej posuniętymi uproszczeniami; minimum informacji zawiera niniejszy artykuł, przy czym trzeba zdać sobie sprawę, że zaprojektowane przez nich transformatory nie są optymalnym rozwiązaniem technicznym oraz że w niektórych rzadkich przypadkach wystąpią istotne mankamenty w działaniu transformatora. Zasady działania transformatorów są wykładane w szkołach i powracać do nich nie będziemy. Zwrócimy jednak uwagę na pewne zjawiska podstawowe.

   Na rysunku 1 przedstawiono schemat transformatora. Wyobraźmy sobie, że źródło Z wytwarza na zaciskach transformatora napięcie U1 o wartości 20V. Przez uzwojenie pierwotne płynie wówczas prąd magnesowania Im20 o wartości np. 10mA. Zwiększamy napięcie dostarczane przez źródło do 40V. Pomiar prądu wykaże, że prąd magnesowania Im40 wynosi np. 17mA. Obciążamy teraz uzwojenie wtórne opornikiem tak dobranym, że moc pobierana wynosi 8W (80V, 100mA). Wartość prądu pierwotnego wzrosła o Iob równy 250mA i wynosi 267mA. Co wynika z tego doświadczenia?


Rys. 1. Schemat transformatora (przykład)

  1. Prąd magnesowania nie jest wprost proporcjonalny do napięcia, bowiem zależy w istotny sposób od własności rdzenia stalowego.
  2. Przy zwiększaniu napięcia na zaciskach uzwojenia pierwotnego transformatora, prąd magnesowania Im ustali się w takiej wartości, aby wzbudzana drogą samoindukcji siła elektromotoryczna miała wartość równą wartości doprowadzonego napięcia.
  3. Pobór energii elektrycznej z uzwojenia wtórnego spowoduje pobieranie energii ze źródła zasilającego, przy czym moc pobierana jest większa od oddawanej - w przykładzie moc pobierana wynosi 10W (40V, 250mA). Różnicę stanowią straty w transformatorze przekształcające się w ciepło.
  4. Stosunek napięcia wtórnego do pierwotnego ma się w przybliżeniu jak stosunek liczby zwojów uzwojenia wtórnego do pierwotnego. Nieco większa liczba zwojów uzwojenia wtórnego jest uzasadniona koniecznością skompensowania strat - wówczas stosunek napięć U2 do U1 równa się założonemu (w przykładzie U2/U1=2).

   Punktem wyjścia do obliczenia transformatora jest potrzebna jego moc Pt, będąca sumą mocy pobieranej przez wszystkie uzwojenia wtórne transformatora i podzielonych przez współczynnik założonej sprawności - równy 0,8.

W celu wybrania odpowiedniego rdzenia korzystamy ze wzoru:

w którym:

Qr - przekrój środkowej kolumny rdzenia [cm2].

Jeżeli nie możemy zakupić takiego rdzenia, to wybieramy rdzeń o przekroju większym.

Następnie obliczamy liczbę zwojów uzwojenia pierwotnego (z1) i uzwojeń wtórnych (z2) ze wzorów:

Natężenia prądu przepływającego przez poszczególne uzwojenia bądź znamy z przeznaczenia uzwojenia, bądź obliczamy znając moc i napięcie uzwojenia. Następnie obliczamy średnice drutów dla poszczególnych uzwojeń korzystając ze wzoru:

w którym:

d - średnica drutu nawojowego, bez izolacji [mm],

I - skuteczna wartość prądu w danym uzwojeniu [A].

Możemy skorzystać również z tablicy, w której ujęto niektóre dane drutów nawojowych.

Tablica
Dane drutów nawojowych izolowanych emalią

Średnica
d
[mm]
Przekrój
[mm2]
Opór 1m
[Ω]
Liczba
zwojów
na 1 cm
Liczba
zwojów
na 1 mm2
Obciążenie
[A]
1 2 3 4 5 6
0,10 0,0079 2,2200  80  70  0,020 
0,12 0,0113 1,5500  64  50  0,028 
0,15 0,0177 0,9900  54  35  0,045 
0,20 0,0314 0,5600  40  23  0,078 
0,25 0,0490 0,3600  35  15  0,120 
0,30 0,0710 0,2500  28  10  0,180 
0,35 0,0960 0,1800  25  0,240 
0,40 0,1260 0,1400  21  0,310 
0,45 0,1590 0,1100  20  0,400 
0,50 0,1960 0,0895  17  0,490 
0,60 0,2830 0,0618  14  2,5  0,700 
0,70 0,3850 0,0455  11  2,0  0,960 
0,80 0,5030 0,0348  10  1,5  1,260 
0,90 0,6360 0,0275  1,1  1,600 
 1,00 0,7850 0,0223  0,9  1,960 

 Uwagi:

  1. Dane rubryki 4 i 5 należy traktować jako orientacyjne.
  2. Dopuszczalne obciążenie (rubryka 6) podano dla gęstości prądu 2,5 A/mm2.

   Jeżeli nie możemy nabyć drutu o obliczonej średnicy, przyjmujemy drut o średnicy nieco większej. Drut o średnicy mniejszej może być stosowany tylko w transformatorach bardzo małej mocy (do 20 VA), przy czym nie zaleca się stosowania gęstości prądu przekraczającej 3 A/mm2. Zbyt duża gęstość prądu powoduje przegrzewanie się uzwojenia i większe straty w transformatorze.

Przykład

Zaprojektować transformator do prostownika o następujących danych:

Obliczamy pożądany przekrój rdzenia:

Nabyliśmy rdzeń 9 cm2, do którego dostosujemy dalsze obliczenia.

uzwojenie pierwotne

uzwojenie wtórne

średnice drutów

(przyjmujemy drut 0,35 lub 0,4)

(przyjmujemy drut 1.0 lub 0,9).

   Dysponując danymi liczbowymi dotyczącymi rdzenia i uzwojeń sprawdzamy, czy uzwojenia pomieszczą się w oknie rdzenia. W tym celu najlepiej wykonać szkic okna na papierze milimetrowym (ewentualnie w powiększonej skali), wrysować korpus wykonany z preszpanu lub twardej dobrej tektury (rys. 2).


Rys. 2. Szkic przekroju uzwojenia
K - korpus, I - uzwojenie pierwotne, II - uzwojenie wtórne.

Następnie obliczamy miejsce zajmowane przez uzwojenia, posługując się danymi z tablicy. Pozwoli to zorientować się ile miejsca pozostaje na przekładki międzywarstwowe, izolacyjną warstwę pomiędzy uzwojeniem pierwotnym i wtórnym (lub także miedzy wtórnymi, jeżeli jest ich kilka) oraz na nieuniknione niedokładności uzwojenia.

   Pierwszy sporządzany samodzielnie transformator z pewnością się nie uda. Należy więc zacząć od taniego eksperymentu. Następny może już przedstawiać wartość użytkową. Należy pamiętać o stosowaniu dobrej izolacji pomiędzy uzwojeniem pierwotnym i wtórnym, aby uniknąć przebicia i ewentualnego porażenia prądem elektrycznym, lub uszkodzeniem urządzeń. Należy używać zawsze nowego drutu nawojowego w izolacji emaliowej. Drut raz już używany do wykonania transformatora może mieć opryski izolacji i ponownie nie powinien być używany do nawinięcia uzwojeń.

Udostępnił Grzegorz 'gsmok' Makarewicz