Назначение и применение
Высоковольтные трансформаторы (ВВ) относятся к группе преобразователей напряжения. Их предназначение – преобразовать высоковольтное напряжение в низковольтное для питания различных приборов. По принципу работы преобразователи напряжения мало отличаются от силовых трансформаторов. Во вторичной обмотке всегда меньше витков, чем в первичной, если преобразователь понижающий, и наоборот, если прибор повышающий.
ВВ трансформаторы классифицируются по:
- количеству фаз (одно- или трехфазные);
- количеству обмоток (две, три или четыре);
- допускаемым погрешностям;
- способу установки (внутренняя или наружная);
- назначению (общее или специальное).
Преобразователи специального назначения используются в различном электрооборудовании:
- телевизорах и радиоприемниках;
- устройствах связи;
- бытовых приборах (например, боках питания для систем освещения).
Большинство преобразователей этого типа маломощные (не более нескольких киловольт-ампер), частота от 50 Гц, предназначены для внутренней установки. Количество намоток зависит от того, в какое оборудование трансформатор будет установлен. Изоляция заливается эпоксидной смолой.
Сборка
Эпоксидная смола – обязательная составляющая конструкции. Она устраняет пузырьки воздуха, которые в будущем приведут к пробоям и протечкам. Поэтому позаботьтесь о каркасе и вакуумной установке. Для последней необходимы:
- герметик;
- пластилин;
- шприц;
- банка с прорезиненной закручиваемой крышкой;
- силиконовый шланг;
- обратный клапан (можно найти в зоомагазине).
В крышке создают отверстие, вставляют шланг, изолируют место герметиком и пластилином с обеих сторон. Воздух выкачивается шприцем до вжатия крышки.
Смолу нагревают, добавляют отвердитель. Каркас подойдет и обычный бумажный, к нему крепят цилиндр того же диаметра с помощью термоклея. На полное застывание уходит 24 часа, после этого каркас снимают.
Чтобы избежать ошибок, его проверяют на целостность магнитопровода, наличие разрывов в проводах, целостность изоляции. Для этого потребуется мультиметр, его устанавливают в режим МОмм и замеряют сопротивление между обмотками, и ними и корпусом. Далее эксперимент повторяют в рабочем состоянии, проверяют ток и коэффициент трансформации. Другой вариант – прозвон выводов.
После этого можно приступать к эксплуатации.
Что нужно для внутренней части?
Для понижающего преобразователя с парой катушек подойдет ферритовый магнитопровод. Взять его можно из старого телевизора или компьютера (вырезать из центрального керна силового трансформатора).
Часто их покрывают эпоксидкой, поэтому для разборки ее нагревают строительным феном. Для кернов применяется угловая шлифмашина, не стоит их раскалывать. Чтобы выровнять поверхность, ее заклеивают скотчем, а нарастить длину можно, соединив два стержня и склеив их супер-клеем.
Расчет электрических параметров
Для вычисления мощности используется формула на основе напряжения и тока на выходе:
Мощности плюсуются, если вторичных обмоток две (или больше).
Коэффициент полезного действия преобразователя не может быть выше 80%, поэтому первичная мощность:
Ток из первичной намотки во вторичную передается через сердечник, площадь которого полностью зависит от мощности первичной намотки. Для сердечника, который изготовлен из трансформаторной стали, площадь вычисляется по формуле:
Количество витков первичной обмотки:
При использовании сердечника из другого материала (некоторые используют жесть, обожженную проволоку, кровельное железо), то S необходимо увеличить на треть.
Количество витков вторичных намоток:
Так как часть напряжения теряется из-за сопротивления, расчетное количество желательно увеличить на 5-10%.
Выбор материала магнитопровода
Маломощный преобразователь можно сделать на броневом или стержневом магнитопроводе. В броневом стержни с прямоугольным сечением располагаются горизонтально. Это сравнительно сложная конструкция, поэтому используется редко. В стержневом магнитопроводе стержни располагаются вертикально, обмотки цилиндрические.
Для повышающего трансформатора лучше использовать Ш-образный ферритовый магнитопровод. Важно точно подобрать размеры (на стержне должно поместиться требуемое количество витков). Если сердечник нужно разобрать, чтобы сделать другой из полученных пластин, толщина пакета подбирается, базируясь на мощность. Пластины вставляют в катушку, стягивают при помощи шпилек и гаек.
Электротехнические характеристики
Чтобы правильно изготовить модель самостоятельно, определяют ряд параметров:
- Мощность на выходе: Р2 = U2*I2, которую получают путем умножения выходных параметров. Если вторичных катушек несколько, они суммируются.
- КПД не превышает 80%, поэтому первичная: Р1 = Р2/0,8 = 1,25*Р2.
- Площадь центральной части рассчитывается на основании Р1. Для стального это значение составляет: S = Р1^0,5 – вычисляют корень из значения первичной мощности. Для жести, обожженной проволоки, кровельного железа S принимают в три раза больше: S = 3*Р1^0,5.
- Витки первой катушки: w1 = 50/S.
- Второй: w2 = w1*U2.
Значение w увеличивают на 5-10%, т.к. часть напряжения теряется из-за сопротивления.
Как наматывать?
Сердечник 5 раз укрывают скотчем, вкладывают в желоб провод, наматывают обмотку-1. Оба конца должны быть выведены на одну сторону и изолированы тефлоновой лентой или кембриком. Для фиксации последнего витка можно использовать обычную нить, так он не будет разматываться.
Поверх этого укладывают 4-5 кругов скотчем, помещают стержень в корпус от шприца длиной 3 см. Его также обматывают скотчем дважды и выполняют вторичную намотку, ширина составляет полтора сантиметра. Каждый слой изолируется скотчем или дважды фторопластовой лентой. Концы выводят на разные стороны, с одного делают три вывода, со второго – один.
Все это снова изолируется клейкой лентой в пять слоев, к нему припаивают гибкие провода для вывода, изолируют повторно.
Если где-то происходит обрыв, место зачищают, скручивают, спивают, изолируют. Поэтому можно использовать старый провод, главное, чтобы он был правильно спаян. Чтобы повысить электропрочность, каждый слой намотки пропитывают акриловым лаком или эпоксидкой.
Витки располагают максимально близко друг к другу, по возможности параллельно сердечнику.
Конструкция сердечника
Чтобы сделать понижающий преобразователь с двумя обмотками своими руками, нужно найти круглый ферритовый магнитопровод.
Такие есть в старых телевизорах и блоках питания компьютеров. В случае с компьютером стержнем служит центральный керн силового трансформатора (его нужно вырезать). Длина 2,1 см, диаметр 1,1 см.
Чаше всего эти преобразователи покрыты эпоксидной смолой. Для того, чтобы их разобрать, требуется разогрев строительным феном. Керны вырезаются болгаркой (колоть не стоит). Поверхность обычно неровная, поэтому столбики обматываются скотчем. Если длины недостаточно, можно склеить два супер-клеем.
Расчет необходимого диаметра провода
Сечение проводов рассчитывается, базируясь на значение и плотность тока (среднее значение 2 А/мм2).
Ток на первичной намотке:
С такими исходными данными диаметр провода (без изоляции):
Если под рукой нет провода с рассчитанным диаметром, можно параллельно соединить несколько более тонких таким образом, чтобы сумма сечений не оказалась меньше рассчитанной.
Для расчета поперечного сечения используется формула:
Если обмотка низкого напряжения создается из толстого провода и располагается над другими витками, плотность тока увеличивается до 2,5-3 А/мм2 благодаря улучшению охлаждения. В формулу 0,8 заменяется на 0,7 или 0,65.
От необходимости в вычислениях освобождают специальные таблицы, например:
В заключении необходимо вычислить диаметр проводов с изоляцией.
Площадь сечения всех витков любой обмотки:
0,8d2из
dиз — диаметр с изоляцией
Все рассчитанные площади складываются, полученное значение умножается на 2 или 3 (это площадь окна сердечника).
Пример расчета
Требуется преобразователь, питающийся от сети 220 В, на вторичной обмотке которого должно быть напряжение 6,3 В и ток 50 мА.
Мощность вторичной намотки:
P2=6,3*3=18,9 Вт
Мощность первичной намотки:
P1=1,25*18,9=23,625 Вт
Площадь сечения сердечника (если он изготовлен из трансформаторной стали): примерно 4,7 см2.
Количество витков (на один вольт):
50/4,7=10,6
Ток на первичной намотке:
24/220=0,1 А
Количество витков на первичной обмотке:
10,6*220=2332
Диаметр провода: 0,8 мм
Количество витков на вторичной обмотке:
10,6*6,3=78 (примерно)
Диаметр провода: 0,17 мм
Диаметр с изоляцией определяется по таблице:
0,8 – 0,85 мм;
0,17 – 0,185 мм.
Провод лучше всего взять медный, изоляция эмалированная.
Если удалось найти трансформатор, который возможно перемотать, в процессе размотки нужно сосчитать, сколько витков во вторичной обмотке. Если известен коэффициент трансформации, можно определить, сколько витков требуется для нового преобразователя.
Инструкция по намотке
Сердечник нужно обмотать скотчем (5 слоев), вложить в желоб провод с рассчитанным диаметром, намотать по всей длине рассчитанное для первичной намотки количество витков. Оба конца обмотки выводятся на одну сторону и изолируются винилкой.
Последний виток необходимо зафиксировать (подойдут простые нитки), чтобы предотвратить разматывание.
Далее наматывается 4-5 слоев скотча, конструкция помещается в корпус одноразового шприца длиной 3 см. На шприц наматывается 2 ряда скотча и рассчитанное для вторички количество витков, ширина обмотки примерно 1,5 см. Каждый слой нужно заизолировать скотчем или двумя слоями фторопластовой ленты. Концы второй обмотки выводятся на обе стороны. В результате с одного конца получается три вывода, со второго – один.
Готовая конструкция изолируется скотчем (5 слоев), припаиваются гибкие провода (выводы), наматываются еще 5 слоев скотча.
Если в процессе намотки порвался провод, концы необходимо зачистить, скрутить, спаять и заизолировать. Электрическую прочность увеличивает пропитка каждого слоя намотки лаком на основе акрила или эпоксидной смолы.
Для того, чтобы сделать трансформатор своими руками, не обязательно покупать новый провод. Подходит и старый, если отрезки соединены правильно (свиты и спаяны). При намотке витки должны плотно прижиматься друг к другу. Нежелательно укладывать их перпендикулярно к сердечнику (нужен небольшой наклон). Не допускаются перегибы и сгибы, поэтому требуется определенная натяжка. Скотч для изоляции следует нарезать на полоски шириной 1,5 см, чтобы было легче покрыть провод.
Из какого материала сделать магнитопровод?
Если нужен маломощный преобразователь, подойдет стержневой или броневой магнитопровод. В первом варианте стержни расположены вертикально. Во втором случае стержни имеют прямоугольное сечение и расположены горизонтально. Эта конструкция сложнее, поэтому и встречается реже.
В повышающем часто устанавливаются Ш-образные ферритовые магнитопроводы, сложность в конструкции заключается в необходимости подбора точного размера стержня. Если для сборки используется запчасть с другой техники, толщина пакета пластин определяется на основании мощности. Пластинки вставляются в катушку и стягиваются гайками и шпильками.
