Тороидальный трансформатор — его устройство и преимущества

Главная » Освещение » Трансформаторы » Как сделать тороидальный трансформатор своими руками

На сегодняшний день многие домашние электрики задумываются о том, как сделать тороидальный трансформатор. Этот спрос на него обеспечен тем, что он имеет сердечник, который значительно лучше по сравнению с другими. Он имеет меньший вес, который может отличаться в полтора раза. Также и КПД этого трансформатора будет значительно выше.

Вот основные причины, которые останавливают многих мастеров при его изготовлении:

1. Достаточно сложно найти подходящий сердечник.
2. Его изготовление занимает много времени.

Можно ли собрать ламповый усилитель на торе

Силовой трансформатор выбирают для лампового усилителя, но делается это с учетом определенных технических характеристик. Принцип работы тороидального устройства состоит в том, что оно преобразовывает переменный ток с одними показателями напряжения в другое. При этом возможно нескольку схематических решений: однотактный или двухтактный.

Тороидальные тс в любом случае имеют идентичные конструктивные особенности. В частности, устройства состоят из:

• диска из металла с определенным радиусом (обычно используется качественная сталь);
• прокладки для изоляции прибора;
• вывода первичной обмотки;
• вывода вторичной обмотки;
• инструментов, обеспечивающих изоляцию вторички и первички;
• экранирующей обмотки;

• изоляции сердечника трансформатора;
• предохранителя;
• приборов для крепежа элементов;
• изоляции основной части; специального тороидального сердечника.

Именно последний — тороидальный сердечник — отвечает за специфику работы тс. Обмотки соединяются при помощи магнитного провода, технологические характеристик его различаются в зависимости от вида трансформатора.

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:

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 — готовый ТПН25

Видео: назначение тороидальных трансформаторов

Плюсы и минусы использования тороидального трансформатора в качестве выходного

Если трансформатор тороидального типа собираются использовать для работы с ламповым усилителем, то сначала оценивают целесообразность этого поступка. Обычно сравнивают тс такого типа со стержневыми или броневыми вариантами, которые обладают похожей спецификой действий. В сравнении с ним у трансформаторов тороидальных имеются такие преимущества:

• нет зазоров и стыков в сердечнике;
• сталь используется прямым методом, так как направляющие проката и магнитного поля, образуемого элементами, идентичное;
• использоваться могут варианты стали марок Э-340, Э-370 и другие.

Необходимые материалы

Материалы для намотки требуют тщательного выбора

, важное значение имеет каждая из деталей. В частности, вам понадобятся:

1. Каркас трансформаторный. Он используется для изоляции сердечника от обмоток, а также удерживает обмоточные катушки. Его изготавливают из прочных и тонких диэлектрических материалов, чтобы не занимать слишком много места в интервалах («окнах») сердечника. Можно воспользоваться картонками, микрофибрами, текстолитом. Толщина материала не должна быть более 2 мм. Каркас склеивают, пользуясь обычным клеем для столярных работ (нитроклеем). Его форма и размеры полностью зависят от сердечника, высота — немного больше, чем у пластины (высота обмотки).
2. Сердечник. Эту роль, как правило, выполняют магнитопроводы. Лучшим решением станет применение пластин из разобранных трансформаторов, поскольку они произведены из подходящих сплавов и рассчитаны на некоторое количество витков. Магнитопроводы имеют разнообразную форму, но чаще всего встречаются изделия в виде буквы «Ш». Кроме того, их можно вырезать из различных заготовок, которые есть в наличии. Чтобы определить точные размеры, предварительно наматывают провода обмоток.
3. Провода. Здесь нужно использовать два вида: для обмотки и для выводов. Оптимальное решение для трансформирующих устройств — медные провода, имеющие эмалевую изоляцию (тип ПЭЛ или ПЭ). Их хватит даже для силовых трансформаторов. Широкий выбор сечений позволяет подобрать самый подходящий вариант. Также часто применяют провода ПВ. Для вывода лучше всего брать провода с разноцветной изоляцией, чтобы не путаться при подключении.
4. Изоляционные подкладки. Помогают увеличить изоляцию провода обмотки. Как правило, используют тонкую и плотную бумагу (отлично подойдет калька), которую следует уложить между рядов. Но бумага должна быть целой, разрывы и проколы, даже самые незначительные, — отсутствовать.

Возможные схематические решения

Обычно используются трансформаторы вида с немагнитным зазором. Проблема использования заключается в зависимости сердечника от внешнего поля, показателей индуктивности первички.

Однотактный

Кривая намагничивания зависит пропорционально от проницаемости сердечника. Это можно увидеть на схеме зависимости напряженности внешнего поля от величины намагничивания.

Если растет показатель тока на первичной обмотке, то проницаемость будет уменьшаться, а намагниченность увеличиваться. Индуктивность внутреннего слоя понизиться. Это способствует тому, что оборудование начинает работать в режиме насыщения.

Однотактные ламповые усилители дают возможность через тс протекать току, который вызывает намагничивание. Крепеж более мягкого материала невозможен, кроме того, не поможет решить проблему и увеличение витков первички — насыщение сердечника продолжится. Нужные показатели индуктивности достигаются путем смены количества витков и увеличения ширины зазора.

Двухтактный

Проблема создания двухтактного трансформатора идентичная — получить необходимые показатели индуктивности обмотки, но не допустить входа в режим пресыщения.

Технология намотки и способ изоляции на самом деле очень прост и не предполагает ни в коем случае ни какой обмотки, ни лакотканью, ни чем-либо другим. Дело в том, что при любой обмотки сердечника трансформатора лакотканью или другими изоляторами внутреннее окно ТОРА мгновенно заполняются, так как, на внешней стороне получается один слой, а на внутренней 5- 10 слоев, да еще неровных. Я давно собирался написать статью о способе качественной намотки тороидальных трансформаторов. Это довольно долго объяснять и лучше показать на фото. Причем после намотки обмотки не превращаются в колесо, а сам трансформатор не становиться, яйцеобразным и расход провода минимален. Ввиду всего этого и КПД трансформатора максимален. А что из этого получается, Вы можете посмотреть в моем усилителе. Сразу оговорюсь, речь идет о мощных тороидальных трансформаторах. Габаритная мощность, которых более 500 Вт. Которые мотаются проводами от 1 до 3 мм. естественно виток к витку. И, как правила, сетевая обмотка которых лежит в приделах от 100 до 400 витков, всего, то есть 0,5-2 витка на вольт. Мотать таким способом менее мощные трансформаторы хлопотно, но при желании можно. Что нужно для намотки: 1) Необходимо сделать подставку для намотки тороида, делается это очень просто. Берем квадратный кусок ДСП или фанеры толщиной 10-15мм. Размерами 200Х200мм еще нам нужны два деревянных бруска длинной 200мм и с квадратом 20Х20мм. Эти два бруска нам нужно либо приклеить по центру нашей площадки, параллельно друг другу, на расстоянии между ними 100мм. А еще лучше привернуть к площадке эти бруски с помощью шурупов, но с потайными головками и головки утопить в фанеру иначе они будут царапать стол. Теперь если на эту подставку поставить то- роид, он будет прочно и устойчиво стоять. 2) Нужен челнок, челнок я выпиливаю из оргстекла толщиной 5-бмм. Ширина обычно 30-40мм. длинна 300-400мм. Торцевые пропилы я делаю не углом, а полукругом и обрабатываю их напильником, что бы не портилась изоляция провода и даже проклеиваю одним двумя полосками изоленты опять же для защиты провода. На челнок мы наматываем провод, не страшно, если провода не хватит, можно аккуратно спаять провод и мотать дальше. Но лучше все-таки рассчитать, так что бы провода хватило. 3) Теперь нам нужен материал для изоляции между слоями, это очень просто нужно найти тонкий картон (упаковочный), я например, применяю коробки от динамиков для автомобилей. Главное что бы это был не толстый, но и не тонкий материал — толщина картона, где-то 0,5мм. Если он будет с одной стороны глянцевый, то это тоже хорошо. 4) Еще нам потребуется нитки толстые 10-20 номер. Но на худой конец можно и 40 номер. Сама намотка ведется от себя в правую сторону.

А теперь самое главное, это изготовление самих изоляционных прокладок между слоями. Нам потребуется штангель-циркуль, с острыми концами. Измеряем, внешний диаметр нашего тора, прибавляем 20мм. (для нахлеста) и делим пополам. Например, внешний диаметр тора 150 мм.+ 20 мм.= 170 мм. 170мм./2 = 85 мм. Выставляем штангель на 85мм. и фиксируем винтом. Сам штангель мы будем использовать как циркуль для черчения кругов на картоне. Почему именно штангелем, а не обычным циркулем, которым и проще и удобнее? А все очень просто, когда мы будем острым и прочным концом штангеля чертить по картону, то на картоне останется продавленная борозда и именно она поможет нам. Эта борозда очень полезна для удобства сгибания внутренней рассеченной окружности наших прокладок. В общем, сами поймете, что штангелем лучше, чем удобным циркулем.

И так чертим, внешний круг на картоне и вырезаем его ножницами, в принципе внешний круг можно нарисовать и обычным циркулем. Далее замеряем внутренний диаметр тора ничего не прибавляем, не убавляем, а просто делим пополам. Например, диаметр 60мм./2 = 30 мм. Выставляем, именно штангель-циркуль, на 30мм. фиксируем винтом и чертим внутренний диаметр на картоне.

Далее мы берем карандаш и линейку и работаем над внутренним кругом, сначала рисуем крест, то есть, делим круг на 4 части, потом на 8 частей, если внутренний диаметр ТОРА больше 60мм. то еще и на 16 частей. Далее мы рисуем обычным циркулем еще один круг, который меньше внутреннего в два раза, то есть, раздвигаем циркуль на 15 мм. А теперь нам потребуется ровный кусок, фанеры или ДСП на который, мы положим нашу картонную заготовку для прорезания концом острого скальпеля или ножа, нанесенных карандашом наших частей. Прорезать нужно по кругу от внешнего края окружности к центральной точке, не далее иначе картон будет задираться. Прорезать нужно насквозь картона.

Потом ножницами вырезаем внутренний круг нарисованный нами обычным циркулем. Полученные дольки отгибаем перпендикулярно заготовки. Понятно, что таких заготовок нужно на каждый слой по две штуки, каждый раз замеры диаметров делаются вновь, так как от слоя к слою их значение меняется.

Далее меряем высоту тора и вырезаем две полоски картона такой же ширины. Одну полоску вставляем внутрь тора, так что бы нахлест был не более 10 мм. Вторую полоску накручиваем одним слоем на внешнюю сторону тора с таким же нахлестом. Надеваем обе круглые заготовки на торцы тора, крепим ниткой в трех-че- тырех местах по кругу. И далее начинаем мотать.

Самые опасные места для пробоя это углы окружностей ТОРА внешний и особенно внутренний. Поэтому если во время намотки мы увидим, что провод может соприкасаться с проводом внутреннего слоя, особенно по внутреннему углу окружности ТОРА. То необходимо подложить под провод полоски такого же картона шириной 10 мм. и длинной по 20-30 мм., там, где это необходимо.

На внешней стороне, как правила этого делать не приходится, так как внешняя сторона заготовки наслаивается на край и хорошо предохраняет провод от замыкания. Вся разметка и прорезка картонных заготовок делается с матовой стороны картона, применять картон с двух сторон глянцевый не желательно. Перед тем как начать мотать тор, на пальцы рук нужно намотать два слоя изоленты на оба сгиба мизинца и на сгиб указательного пальца, иначе будут огромные водяные мозоли.

Многих интересует, как рассчитать тороидальный трансформатор.

Дело в том что количество витков будет зависеть от качества железа но приблизительный расчет делается просто, как и у обычного трансформатора только коэффициент берем 20-30. Ну, например измеряем высоту, она = 10 см. Измеряем толщину стенки, она = 5 см. 10×5=50 см. 25/50=0,5 витков на 1вольт. 220×0,5=110 витков сетевой обмотки.

Теперь начинаем мотать сетевую обмотку трансформатора, намотав приблизительно 90 витков пробуем включить в сеть, меряя при этом ток холостого хода. Совсем несложно подключить кончик провода прямо на челноке. Постепенно доматывая провод, доводим ток холостого хода до 50-100 мА и на этом прекращаем мотать, полученное количество витков и будет реально. Теперь это реальное количество делим на 220 и получаем реальное значение количества витков на 1 вольт. И в соответствии с этой цифрой рассчитываем все выходные обмотки. Имейте ввиду, что при включении трансформатора в сеть первичный мгновенный бросок тока очень большой. И для того, что бы не спалить тестер нужно делать так:сетевой провод подключаем через замкнутый тумблер параллельно тумблеру включаем тестер, включаем вилку в розетку и только потом размыкаем тумблер, что бы посмотреть ток холостого хода. Кстати, именно из за мощного первичного броска тока трансформаторы мощностью более 1 КВт, обязательно нужно включать с помощью схемы мягкого включения. Тем более схема эта очень проста.

Федотов Алексей Геннадьевич. (UA3VFS)

Адрес администрации сайта

Требования к качеству электрической машины

Самый простой тороидальный трансформатор представляет собой устройство из двух обмоток со стальным сердечником. Предъявляются определенные требования к электрический машине. Обратить внимание следует на то, что:

• первичная обмотка подключается к источнику тока;
• вторичная примыкает к потребителю энергии.

Магнитный провод усиливает индукцию, поэтому его коэффициент подбирается в строгом соответствии с техническими характеристиками обмоток. Витки обмотки определяют, какую силу имеет электромагнетизм. Изменяя число обмоток можно создать систему для лампового усилителя, которая бы преобразовывала любое напряжение.

При самостоятельном изготовлении используйте специальный станок для намотки — он упрощает процесс. Латры берутся одинаковыми, между листами не должно быть зазоров. Если будут щели, то непременно их заполнить железными листами. Выводы обязательно закрепляются при помощи сварочных точек.

Изготовление тороидального сердечника

Тороидальные трансформаторы содержат в своей конструкции сложный сердечник. Лучшим материалом для его изготовления считается трансформаторная сталь. Для того чтобы изготовить сердечник тороидального трансформатора вам необходимо использовать стальную ленту. Ее необходимо свернуть в рулон, который будет иметь форму Тора. Если у вас уже есть такая форма, то никаких проблем возникнуть не должно.

Хороший готовый сердечник вы также можете найти на лабораторном автотрансформаторе. Вам следует перемотать его обмотки. Измерительные трансформаторы имеют более простой сердечник.

Еще к одному способу изготовления тороидального сердечника относят использование пластин от неисправного промышленного трансформатора. Сначала из этих закрепок вам потребуется изготовить обруч. Его диаметр должен составлять 26 см. Внутрь этого обруча необходимо постепенно вставлять пластины. Следите за тем чтобы они не разматывались.

Один тор хорошо, а два — лучше!

Изначально эту идею я где-то выловил. Если знаете автора-изобретателя — подскажите, пожалуйста! Всё очень просто: если взять два одинаковых тора, которые к тому же и нагружены хотя бы приблизительно одинаково, установить их спинка к спинке и подключить так, чтобы излучаемое каждым трансформатором магнитное поле было в противофазе к полю его соседа — магнитные поля от двух трансформаторов в большой степени взаимно компенсируются. Таким образом можно значительно снизить уровень помех просто слегка изменить конструктив.

Откуда возьмутся два одинаковых трансформатора? Нередко для питания усилителя требуется пара идентичных трансформаторов, это может быть выгодно по цене и габаритам, полезно для развязки каналов и т.п. Если же аппарат проектируется «с нуля» — то можно, например, использовать по одной обмотке с каждого тора для получения двуполярного напряжения.

Вот так уместились по два 150-ваттных тора в моноблоках, которые я собирал ещё в прошлом столетии:

Как проверить, что трансформаторы действительно подключены в противофазе: достаточно намотать тестовый виток (или несколько) на оба тора сразу — при правильно подключенных первичных обмотках на такой «общей» тестовой не должно быть напряжения. Полезно так же проверить «от обратного»: временно поменять фазу первичной обмотки одного из трансформаторов и убедиться, что тестовый виток развивает определённое напряжение.

Даже в случае неидеальной симметрии суммарный уровень магнитной помехи, излучаемой трансформаторами, будет значительно снижен.

Рассмотрим как производится расчет мощности трансформатора

Для начала определяем сечение основы. Магнитопровод должен не только выдержать магнитное поле определенной интенсивности, он еще рассеивает выделяемое тепло. Существует упрощенный метод исчисления площади сечения в см². Она равна квадратному корню от требуемого значения мощности в ваттах.

Это максимальное значение, реальный трансформатор должен иметь запас +50%. Иначе сердечник попадет в область магнитного насыщения, что приведет к резкому локальному нагреву. Для сердечников тороидальной формы достаточно запаса 30% от расчетной площади.

Далее необходимо знать, как определить параметры провода для обмоток, чтобы обеспечить расчетную мощность трансформатора. Первая величина – количество витков на вольт (речь идет о первичной обмотке).

Для этого воспользуемся несложной формулой: константу 60 делим на площадь сечения в см². Например, сечение магнитопровода 6 см². Значит, на каждый вольт входного напряжения, требуется 10 витков провода. То есть при питании 220 вольт, первичная обмотка будет состоять из 2200 витков.

Расчет вторичных обмоток производится в пропорции коэффициента трансформации. Если необходимо 20 вольт на выходе, при константе 10 витков на вольт, потребуется 200 витков вторичной обмотки. Это абсолютное значение, без учета потерь при нагрузке. Истинное количество витков получаем, умножив значение на 1,2.

Прежде чем намотать трансформатор, надо знать сечение провода. Минимальный диаметр проволоки рассчитывается по формуле: D=0.7*√I

D – диаметр проводника в мм

0,7 – установочный коэффициент

√I – квадратный корень из значения силы тока в амперах

Экономить на проводе не стоит. Меньший диаметр плохо рассеивает тепло, и обмотка может перегореть. Чем тоньше провод, тем выше сопротивление. Возможны потери мощности и снижение расчетных характеристик.