Расчёт и изготовление силового трансформатора

Наиболее ответственной и дорогой деталью силового блока радиоустройства, питающегося от сети переменного тока, является силовой трансформатор. Один из примеров принципиальной схемы трансформатора приведён на рис. 1. Трансформатор имеет сердечник, собранный из тонких пластин трансформаторной стали. Обмотки трансформатора выполняются из медного изолированного провода на прессшпановом каркасе.

Рис. 1.

Сердечники трансформатора собираются из пластин двух типов: Г-образных и Ш-образных. Типом пластин определяется и конструкция трансформаторов, которые показаны на рис. 2.

Рис. 2.

На стержневом сердечнике (Г-образные пластины) обмотки трансформатора размещаются равномерно на обоих стержнях (рис. 2, а), например на одном стержне размещаются первичная (сетевая) обмотка и понижающая для накала ламп, а на другом - вторичная повышающая (высоковольтная) обмотка. При этом типе пластин обмотки иногда размещаются и на одном стержне сердечника.

На броневом сердечнике (Ш-образные пластины) все обмотки помещаются на его среднем стержне (рис. 2, б).

Если мы подключим первичную обмотку I трансформатора к источнику переменного тока (рис. 3), по ней будет протекать переменный ток, который создаст в сердечнике переменный магнитный поток. Так как на втором стержне трансформатора расположена вторичная обмотка II, переменный магнитный поток будет пересекать витки вторичной обмотки, вследствие чего в ней (по закону электромагнитной индукции) будет наводиться электродвижущая сила (ЭДС). Если параллельно вторичной обмотке включить прибор (вольтметр), он покажет величину индуктированного напряжения.

Рис. 3.

Для того чтобы понизить напряжение электросети, вторичная обмотка должна иметь меньшее количество витков, чем сетевая, а для повышения напряжения - большее по сравнению с первичной (сетевой) обмоткой.

Для питания радиоаппаратуры требуются различные напряжения: высокое (с последующим выпрямлением) для питания анодных цепей и цепей экранных сеток ламп и два низких - для питания цепей накала ламп и отдельно для накала кенотрона, если он применяется в выпрямителе (исключение составляет только кенотрон 6Ц5С, нить накала которого можно питать от общей обмотки накала).

Вследствие потерь в сердечнике и обмотках от вторичной обмотки трансформатора никогда нельзя получить ту же мощность, какая была подведена к первичной обмотке. Отсюда существует понятие о КПД (коэффициент полезного действия) трансформатора. Самодельные трансформаторы, рассчитанные по упрощенным формулам к выполненные на обычной трансформаторной стали, имеют КПД обычно ее выше 70-80%.

Предположим, что трансформатор должен обеспечить питанием усилитель или приёмник, потребляющий по анодным цепям ток 100 мА при напряжении 250 В и по цепи накала ток 2 А при напряжении 6,3 В. Для выпрямления переменного тока берем кенотрон 5Ц4С, для накала нити которого требуется ток 2 а при напряжении 5 В (для определения токов, потребляемых электродами той или иной лампы, следует пользоваться их справочными данными).

Таким образом, с большим приближением (без учета падения напряжения на внутреннем сопротивлении кенотрона и дросселе фильтра) вторичная обмотка должна быть рассчитана на напряжение 250 В и силу тока 100 мА (0,1 А), обмотка накала ламп на напряжение 6,3 В и силу тока 2 А, а обмотка накала кенотрона на 5 В и ток 2 А. Подсчитываем их мощность по формуле

Р = U*I       (1)

где U в вольтах, а I в амперах. Следовательно, P1=250*0,1=25 Вт, Р2=5*2=10 Вт, Р3=6,3*2=12,6 Вт.

P_сб = P1 + P2 + P3 ... Вт       (2)

Мощность во всех трех вторичных обмотках будет равна

Р_сб = 25 + 10+ 12,6 = 47,6 Вт.

Если принять КПД трансформатора, изготовленного в любительских условиях, не выше 80%, потребляемую от сети мощность можно подсчитать по формуле

Р_пер = 1,2*Р_сб.        (3)

В нашем случае мощность, потребляемая от сети, будет равна

Р_пр= 1,2*47,6 = 57,12 Вт.

Следующий этап расчёта - определение сечения сердечника, т, е площади сердечника в квадратных сантиметрах - Q см². Рассчитывается она по формуле

Qсм² = 1,2*P_пер^0,5 = см².       (4)

Так как сердечник собирается из тонких пластин, изолированных друг от друга, в формулу введён коэффициент 1,2, учитывающий заполнение сердечника. Таким образом, сечение сердечника нашего трансформатора будет равно

Q см² = 1*2 57,12^0,5 = 9,07 см²

(считаем округленно 9,0 см²).

После этого нужно определить ширину пластин среднего стержня (если пластины Ш-образные) и толщину набора в см. Перемножив эти величины, получим площадь сечения стержня. Так как расчет всех геометрических размеров сердечника (площадь окна, толщина набора и ширина пластин) для начинающего радиолюбителя - дело довольно сложное, можно просто считать отношение ширины пластин стержня к толщине набора равным от 1 до 2.

Таблица 1

Тип пластин	Ширина среднего стержня, см	Ширина окна, см	Длина окна, см	Площадь окна, см2
Ш-16	1,6	1,6	3,4	5,44
Ш-20	2,0	2,0	5,0	10,0
Ш-25	2,5	2,5	6,0	15,0
Ш-32	3,2	3,2	8,0	25,6
Ш-40	4,0	4,0	10,0	40,0

При таком соотношении можно быть уверенным, что полученное из дальнейшего расчёта количество витков уложится в окно сердечника. Из приведенных в табл. 1 данных выбираем пластины Ш-25, при которых толщина набора получится 3,6 см, а отношение сторон будет равно 1,44, так как 9 см² : 2,5 см = 3,6 см, а 3,6:2,5 = 1,44.

Далее рассчитываем количество витков обмоток трансформатора, для чего следует определить количество витков, приходящихся на один вольт, по формуле

n0 = (45 - 60)/Q = витков,       (5)

где Q - сечение сердечника в см². Если имеются пластины из трансформаторной стали хорошего качества, в числитель следует подставлять число 45, если сталь плохая - 60. При расчете считаем, что сердечник взят от заводского трансформатора, тогда число витков на один вольт будет равно

n0 = 45/9 = 5.

Дальнейший расчёт обмоток уже не представляет никакой сложности, следует только перемножить количество витков, приходящееся на один вольт, на заданное напряжение той или иной обмотки. Первичная обмотка для включения в сеть с напряжением 127 В должна иметь П1 = 127х5 = 635 витков, повышающая на 250 В - П2 = 250х5 = 1250 витков, для накала кенотрона 5 В - П3 = 5х5 = 25 витков и для накала ламп 6,3 В - П4 = 6,3х5 = 31,5 витка (округляем до 32 витков).

Последний этап расчёта обмоток - определение диаметра обмоточного провода по формуле, предусматривающей длительную, беспрерывную нагрузку трансформатора, при которой плотность (сила) тока на один квадратный миллиметр сечения провода берётся не более двух ампер,

d = 0,8*I^0,5 = мм,       (6)

где d - диаметр провода в миллиметрах, I - сила тока в амперах.

В нашем случае d2 = 0,8*0,1^0,5 = 0,8х0,316 = 0,25 мм; d3 = d = 0,8*2^0,5 = 8х1,41= 1,1 мм (округлённо).

Для того чтобы рассчитать диаметр провода первичной обмотки, следует определить протекающий по ней ток. Для этого потребляемую от сети мощность следует разделить на напряжение питающей сети

I1 = 57,12/127 = 0,45 А (округлённо),

отсюда d1= 0,8*0,45^0,5 = 0,54 мм, или, округлённо, 0,55 мм.

Для большей уверенности можно проверить, уложатся ли обмотки в окне выбранного нами сердечника. Делается это так. Из табл. 1 видно, что длина окна пластины сердечника равна 6 см, а ширина 2,5 см, но так как обмотки наматываются на каркас, который в окне занимает много места, указанные размеры следует уменьшить на толщину щёк каркаса и толщину гильзы. В результате длина окна получится примерно 5,2 см, а ширина 2,2 см. По табл. 2 находим, что провода обмоток в эмалевой изоляции будут иметь следующие внешние диаметры: d1 = 0,59 мм, d2 = 0,27 мм, d3 = d4 = 1,15 мм.

Таблица 2

Диаметр провода без изоляции, мм	Диаметр провода в изоляции, мм
	ПЭЛ	ПШО	ПШД	ПБО	ПБД
0,1	0,115	0,15	0,2	0,19	-
0,15	0,165	0,2	0,25	0,24	-
0,2	0,215	0,26	0,32	0,29	0,37
0,25	0,27	0,31	0,37	0,34	0,42
0,31	0,33	0,37	0,43	0,42	0,51
0,35	0,38	0,41	0,47	0,46	0,55
0,41	0,44	0,47	0,53	0,52	0,61
0,44	0,475	0,5	0,56	0,55	0,64
0,51	0,545	0,57	0,63	0,62	0,71
0,55	0,59	0,61	0,67	0,66	0,75
0,64	0,68	0,7	0,76	0,75	0,84
0,8	0,85	-	-	0,91	1,00
1,0	1,05	-	-	1,125	1,25
1,2	1,26	-	-	1,325	1,45

Таким образом, в одном слое из провода диаметром 0,59 уложится 52/0,59 = 88 витков, а число слоев этой обмотки будет равно

685/88 = 7 (округлённо). По ширине окна слои займут 7x0,59 = 4,2 мм, или 0,42 см.

Для провода диаметром 0,27 (с изоляцией) число витков в слое будет 2/0,27 = 192. Соответственно получим количество слоев 6,5, считаем с запасом семь слоев. Они займут по ширине окна 2 мм, или 0,2 см.

Количество витков в слое провода диаметром 1,15 равно 52/1,15 = 45. Таким образом, обмотки накала уложатся в два слоя, что займёт по ширине окна 2,3 мм, или 0,23 см.

Сложив полученные величины 0,42+0,2+0,23, получим, что все обмотки по ширине окна займут 0,85 см.

В своём расчете мы не предусмотрели, что много места займут выводные концы обмоток, прокладки между слоями из папиросной или конденсаторной бумаги и прокладки между обмотками из лакоткани или нескольких слоев кабельной бумаги.

Следует учесть, что начинающие радиолюбители не смогут сразу плотно и аккуратно, виток к витку, наматывать обмотки. Поэтому мы примем, что обмотки в окне займут не 0,85 см, а 1 см. Если же при подсчете окажется, что обмотки в окне не уместятся, тогда следует взять пластины большего размера или увеличить толщину пакета пластин. Таким образом, можно будет уменьшить число витков обмоток на одни вольт.

Для изготовления трансформатора необходимы также прессшпан, фибра или гетинакс толщиной 1,5-2 мм. Для изоляции обмоток друг от друга и между слоями обмоток понадобится лакоткань, кабельная или, в крайнем случае, обычная писчая бумага. Лакоткань, обладающая высокими изоляционными свойствами, можно заменить несколькими слоями чертежной кальки.

Изготовление катушки трансформатора начинается с изготовления деревянной болванки для каркаса, стороны которой должны быть несколько больше (на 0,5 мм) сторон стержня сердечника, а её длина на 1,5-2 см больше длины стержня трансформатора.

Рис. 4.

В центр деревянной болванки нужно вбить гвоздь без шляпки, как показано на рис. 4.

После этого приступают к изготовлению каркаса из прессшпана или гетинакса указанной толщины, на котором делается разметка сторон гильзы и щёк каркаса, как показано на рис. 5. Длина каркаса должна быть несколько меньше длины стержня (на 1-2 мм).

Рис. 5.

Несмотря на то что такой каркас изготовляется без клея, он при аккуратном выполнении обладает большой прочностью. Собранный каркас (рис. 5) надевается на болванку, и в том случае, если он держится на ней неплотно, между каркасом и болванкой следует проложить полоску картона или обвернуть болванку несколькими слоями бумаги.

Если у радиолюбителя имеются дрель и тиски, намотка катушки трансформатора не представляет больших трудностей. В тисках нужно зажать в горизонтальном положении дрель, в патрон которой зажать гвоздь болванки. При вращении дрели гильза ни в коем случае не должна бить вследствие перекосов или эксцентриситета, так как витки будут ложиться неправильно, что затруднит процесс намотки, ухудшит её качество, вследствие чего обмотка займёт значительно больше места. После того как каркас укреплён в патроне дрели, следует заготовить полоски из бумаги, лакоткани или другого изоляционного материала, ширина которых должна быть на 4-5 мм больше расстояния между щеками гильзы.

Рис. 6.

Выводы обмоток (за исключением обмоток накала) ни в коем случае нельзя делать той же проволокой, а многожильным, хорошо изолированным проводом длиной 10-12 см, к которому припаивается намоточный провод. Место спайки нужно хорошо изолировать путем обвертывания его кусочком лакоткани, укрепить катушку с проволокой, как показано на рис. 6, и приступить к намотке.

При намотке рекомендуется вращать рукоятку дрели правой рукой, а локоть левой руки класть на стол так, чтобы пальцы, держащие провод, находились на расстоянии 20-30 см перед каркасом. Таким способом легче производить намотку виток к витку (витки реже, сбиваются).

Если радиолюбитель не располагает счетчиком, то после намотки каждого слоя следует сосчитать количество витков в слое и записать результат.

Считать витки можно и так. Сначала определить, сколько оборотов делает патрон дрели за один оборот рукоятки, и записывать число сделанных оборотов, предварительно умножив на полученное отношение. Например: за один оборот рукоятки дрели патрон делает 3,8 оборота, следовательно, за 100 оборотов, сделанных рукой во время намотки, будет намотано 380 витков.

Каждый слой наматываемой обмотки следует прокладывать заготовленной полоской бумаги и внимательно следить, чтобы последние витки каждого слоя не проваливались между щекой в нижний слой, так как в этом месте возможен пробой изоляции между слоями, который можно объяснить следующим. В нашем расчёте получилось, что на один вольт приходится 5 витков, а в двух слоях высоковольтной обмотки укладывается 192х2 = 384 витка, следовательно, эффективное напряжение, действующее между двумя слоями, будет равно 386/5, или 77 В, а амплитудное напряжение - 108 В, что при нагреве обмоток может привести к пробою изоляции.

Перед тем как приступить к намотке вторичных обмоток, в первую очередь высоковольтной, поверх первичной обмотки следует положить два слоя лакоткани или два-три слоя кабельной бумаги. Все обмотки должны быть хорошо изолированы друг от друга.

Рис. 7.

Выводные концы обмоток следует располагать на какой-либо одной стороне щёк катушки, в противном случае их легко попортить при набивке катушки, особенно если пластины изготовлены с просечкой, как показано на рис. 7. Для набивки стальными пластинами катушку кладут на стол, после чего одну половину пластин располагают с правой стороны катушки, а другую с левой. Набивка производится вперекрышку, т. е. одна пластина вдвигается в катушку с правой стороны, а другая с левой. Обычно готовые пластины с одной стороны бывают покрыты лаком, поэтому при набивке катушки нужно следить, чтобы лакированные стороны пластин были всегда обращены вверх или вниз. Набивку пластин нужно производить с максимальной плотностью, для чего перед окончанием набивки сердечник следует спрессовать путём сжатия его в тисках и тогда можно будет вставить еще большее количество пластин.

Собранный сердечник трансформатора следует со всех сторон подбить молотком, чтобы все пластины улеглись в ровную стопку, а после этого стянуть сердечник шпильками.

Изготовленный трансформатор следует испытать, включив его в электросеть. Если по истечении одного-двух часов обмотки не нагреются, значит трансформатор рассчитан и сделан правильно.

Нагрев обмотки может объясняться наличием замкнутых витков (неаккуратная намотка). Перед тем как трансформатор включить, необходимо проверить, чтобы выводные концы обмотки случайно не замкнулись между собой. Дребезжание пластин сердечника указывает на неплотную сборку. В этом случае нужно вставить сердечник ещё несколько штук пластин и сильнее затянуть тайки на шпильках. Если радиолюбитель располагает вольтметром переменного тока или авометром, следует проверить напряжения на всех вторичных обмотках.

А. Кузьминов