Как намотать понижающий трансформатор своими руками

Как сделать трансформатор 220 на 12 вольт своими руками

Время на чтение:

Для того чтобы понизить напряжение промышленной сети, используются трансформаторы 220 на 12 вольт. Такое значение амплитуды необходимо для питания различной техники, в том числе и осветительных приборов. Понижающий трансформатор может располагаться непосредственно в блоке питания или быть выполнен как отдельное устройство. Этот радиоэлектронный элемент можно приобрести в специализированных магазинах, но при желании несложно изготовить и своими руками.

Суть работы устройства

Трансформатор — это электронное устройство, использующееся для преобразования переменного сигнала одной амплитуды в другую без изменения частоты. Сложно найти электротехническое оборудование, которое бы не содержало в своей схеме такое изделие. Оно является ключевым звеном в передаче энергии от одной части цепи к другой.

Появление трансформатора стало возможным после изобретения индукционной катушки в 1852 году механиком из Германии Румкорфом. Его устройство было похоже на катушку для наматывания ниток, но вместо последних использовалась проволока. Внутри катушки располагалась другая такая же конструкция. При подаче тока на нижнюю катушку фиксировалось напряжение и на верхней. Объяснялось это явлением, названным индуктивностью.

Кто точно изобрёл трансформатор, доподлинно неизвестно. В 1831 году Фарадей, проводя эксперименты, обнаружил, что в замкнутом контуре при изменении магнитного поля возникает электричество. Он также нарисовал примерную схему, как должен выглядеть трансформатор. Используя в 1876 году стальной сердечник и две катушки, русский учёный Яблочков фактически изготовил прообраз современного устройства. При подаче тока на одну из них он наблюдал возникновение магнитной индукции, приводящей к появлению тока на другой. При этом напряжение на катушках было разным из-за отличающегося количества витков.

Появление такой конструкции подтолкнуло других учёных к исследованиям, в результате которых появилась технология изготовления современного трансформатора.

Принцип действия

Современная промышленность выпускает трансформаторы, отличающиеся как по внешнему виду, так и по характеристикам. Но их всех объединяет принцип действия и пять элементов конструкции. Чтобы понять, как работает понижающий трансформатор с 220 на 12 вольт, необходимо знать эти основные части изделия. К ним относятся:

1. Сердечник. По-другому его называют магнитопровод. Его назначение проводить магнитный поток. По виду исполнения сердечники делятся на три группы: плоскостные, ленточные, формованные. Изготавливают из электротехнической стали, феррита или пермаллоя, то есть материалов, имеющих способность к высокой намагниченности и обладающих проводящими свойствами.
2. Обмотки. Представляют собой токопроводящую проволоку, намотанную витками. В качестве материала для её изготовления используется медь или алюминий.
3. Каркас. Служит для намотки на него обмоток, изготавливается из изоляционного материала.
4. Изоляция. Защищает катушки от межвиткового замыкания, а также их непосредственного контакта с токопроводящими частями конструкции. Чаще всего используется лак, клипперная лента, лакоткань.
5. Монтажные выводы. Для предотвращения обрыва обмоток во время монтажа в конструкции делаются специальные выводы, позволяющие подключать к трансформатору источник питания и нагрузку.

Основной частью обмотки является виток. Именно из-за него и создаётся магнитная сила, впоследствии приводящая к появлению электродвижущей (ЭДС).

Таким образом, трансформатор представляет собой замкнутый контур (сердечник) на котором располагаются катушки (обмотки). Их количество может составлять от двух и более штук (исключение автотрансформатор). Катушка, подключаемая к источнику питания, называется первичной, а которая соединяется с нагрузкой — вторичной.

При подключении к источнику переменной энергии через первичную обмотку устройства начинает протекать изменяющийся во времени ток (синусоидальный). Он создаёт переменное электромагнитное поле. Линии магнитной индукции начинают пронизывать сердечник, в котором происходит их замыкание. В результате на намотанных витках вторичной катушки индуцируется ЭДС, создающая ток при подключении выводов к нагрузке.

Характеристики и виды изделия

Разность потенциалов, возникающая между выводами вторичной обмотки, зависит от коэффициента трансформации, определяющегося отношением количества витков вторичной и первичной катушки. Математически это можно описать формулой: U2/U1 = n2/n1 = I1/I2, где:

• U1, U2 — соответственно разность потенциалов на первичной и вторичной обмотке.
• N1, N2 — количество витков первичной и вторичной катушки.
• I1, I2 — сила тока в обмотках.

По виду сердечника трансформаторы на 12 В разделяются на кольцевые, Ш-образные и П-образные. По конструктивному же исполнению они бывают: броневыми, стержневыми и тороидальными (кольцевыми). Стержневой тип собирается из П-образных пластин. На броневом виде используются боковые стержни без обмоток. Этот вид самый распространённый, так как обмотки надёжно защищены от механических повреждений, хотя при этом эффективность охлаждения уменьшается.

Тороидальный же трансформатор обладает самыми лучшими характеристиками. Его конструкция способствует хорошему охлаждению. Эффективное распределение магнитного поля увеличивает КПД изделия. Этот тип является самым популярным среди радиолюбителей, так как простота конструкции позволяет быстро его разбирать и собирать. Например, очень часто, именно на базе тора делают самодельные мощные сварочные аппараты.

К основным параметрам изделия относят:

1. Мощность. Обозначает величину энергии, передающуюся через устройство, не приводя к его повреждению. Определяется толщиной провода, используемого при намотке катушек, а также размеров магнитопровода и частоты сигнала.
2. КПД. Определяется отношением мощности, затрачиваемой на полезную работу к потребляемой.
3. Коэффициент трансформации. Определяет способ преобразования.
4. Количество обмоток.
5. Ток короткого замыкания. Определяет максимальную силу тока, которую может выдержать устройство без перегорания обмоток.

Самостоятельное изготовление

Конструкция трансформатора довольно простая, поэтому его несложно сделать своими руками. Но перед тем как приступить непосредственно к его изготовлению необходимо не только подготовить материал и инструменты, но и выполнить предварительный расчёт.

Как сделать понижающий трансформатор своими руками можно рассмотреть на конкретном примере. Пускай стоит задача изготовить преобразователь с 220 В до 12 в с выходным током 10 А.

Сердечник самостоятельно вряд ли получится сделать, поэтому лучше воспользоваться ненужным трансформатором любого типа. Его понадобится аккуратно разобрать и извлечь оттуда «железо».

На следующем этапе стоит изготовить каркас. Можно использовать различные материалы, например, стеклотекстолит. Для его расчёта можно воспользоваться программой Power Trans. При этом стоит отметить, что хотя это приложение умеет рассчитывать также и количество витков, для этих целей лучше её не использовать, из-за не совсем корректных результатов.

В программе можно выбрать тип сердечника, а также задать сечение сердечника, окна и мощность изделия. Затем нажать расчёт и получить готовый чертёж с размерами. Далее, останется перенести рисунок на текстолит и вырезать нужное количество деталей. После того как все элементы подготовлены они собираются в каркас.

Теперь можно переходить к заготовке изолирующих прокладок. Они будут необходимы для изолирования слоёв друг от друга. Вырезаются они полосками из лакоткани, фторопласта, майлара или даже плотной бумаги, например, которую используют для выпечки. Важно отметить, что ширина полоски делается на пару миллиметров больше, при этом размечать линии реза графитовым карандашом не рекомендуется (графит проводит ток).

На последнем этапе готовится провод. Так как будет необходимо намотать трансформатор 220 В 12 В 10а, то есть понижающий, вторичная катушка будет выполняться толстым проводом, а первичная тонким.

Расчёт конструкции

Расчёт конструкции начинают с нахождения мощности, которую должна выдерживать вторичная обмотка. Подставив в формулу: P = U * I, заданные условиям b значения для вторичной катушки, получится: P 2 = 12*10 = 120 Вт. Приняв, что КПД изделия будет около 80% (среднее значение для всех трансформаторов) можно определить первичную мощность: P = P 2/0,8 = 120/0,8 = 150 Вт.

Исходя из того, что мощность передаётся через сердечник, то величины P1 будет зависеть сечение магнитопровода. Находится сечение сердечника из выражения: S = (P 1) ½ = 150 = 12.2 см 2 . Теперь можно найти и необходимое количество витков в первичной обмотке для получения одного вольта: W =50/ S = 4.1. То есть для напряжения 220 вольт потребуется намотать 917 витков, а для вторичной — 48 витков.

Ток, протекающий через первичную катушку, будет равен: I = P / U = 150/220 = 0,68 А. Отсюда диаметр провода первичной обмотки вычисляемый по формуле: d = 0,8*(I) ½ будет 0,66 мм, а для вторичной — 2,5 мм. Площадь же поперечного сечения можно взять из справочных таблиц или рассчитать по формуле: S = 0,8* d 2 . Она соответственно составит — 0,3 мм 2 и 5 мм 2 .

Если вдруг провод такого сечения трудно достать, то можно использовать несколько проводников соединённых друг с другом параллельно. При этом их суммарная площадь сечения должна быть немного больше расчётной.

Техника намотки

Для намотки изделия сделанный каркас необходимо зажать на оси и отцентровать. Проволку предварительно лучше намотать на какой-либо цилиндрический предмет. Например, катушку ниток или отрезок трубы. Напротив зажатого каркаса ставится катушка с проволокой. Проволока заводится на основание и выполняется несколько оборотов вокруг него. Затем начинают вращать корпус каркаса. При этом следует внимательно следить, чтобы каждый виток ложился рядом с другим, а не пересекал его. После каждого слоя наносится два витка изоляции.

Как только первична обмотка будет намотана, проволоку необходимо вывести в сторону для формирования вывода. Остаток проволоки отрезается. Перед нанесением вторичной обмотки прокладывается несколько слоёв изоляции и повторяется весь процесс, но уже с проводом более толстого сечения. По окончании работ свободные концы катушек распаиваются к клеммам. С помощью тестера катушки проверяются на разрыв.

Существуют некоторые нюансы при намотке которые желательно знать. Во время намотки может случайно порваться провод. В этом случае понадобится зачистить оборванные концы, скрутить их и спаять. Место пайки тщательно заизолировать, например, подложив два слоя изоляционной бумаги. При намотке для увеличения электрической прочности изделия рекомендуется выполнять пропитку каждого слоя. Это предотвращает вибрацию провода. В качестве пропитки используются лаки на эпоксидной основе или акриле.

Теперь останется только подключить трансформатор с 220 на 12 к источнику питания. Соединение с ним происходит по параллельной схеме. С помощью мультиметра можно проконтролировать выходное напряжение. Для этого он переключается в режим измерения переменного сигнала.

Если в дальнейшем необходимо получить постоянный сигнал, то к вторичной обмотке трансформатора подключается диодный мост (выпрямитель) с электролитическим конденсатором (сглаживающий фильтр). Но при этом следует учесть, что для тока 10 ампер понадобится соответственный и выпрямительный блок, способный выдержать такую силу тока с запасом порядка 15%.

Таким образом, самостоятельно изготовить понижающий трансформатор сможет даже начинающий радиолюбитель. Главное при этом выполнить правильный расчёт. А изготовленное изделие наверняка найдёт своё применение.

Источник

Как намотать понижающий трансформатор своими руками

Диаметр первичной обмотки по меди

Диаметр вторичной обмотки по меди

Теперь приступим к собственно изготовлению трансформатора. Прежде всего, следует изготовить каркас. В качестве материалов используют разные материалы, но лучше всего использовать стеклотекстолит. В этом случае получается сборный каркас, который, если рассчитан и изготовлен точно, не нужно клеить. Для расчета параметров каркаса воспользуемся программой Power Trans. Программа позволяет рассчитать трансформатор и также каркас для заданного сердечника. Расчетом витков самой программы лучше не пользоваться, т.к. она дает завышенное число витков. Не забываем также, что размеры сердечника в миллиметрах, а обозначения не совпадают.

Рисунок 6. Скриншот программы PowerTrans.

Нажимаем на «Каркас катушки» и получаем разметку каркаса.

Тут следует сделать следующие замечания:

1)При печати формат 1 к 1 не получиться, т.е. разметку на материале продеться делать вручную.

2)Особое внимание к деталям замка, в частности, на третью часть каркаса нижнего ряда. Там есть горизонтальные выступы по центру и сверху, которые программа выдала одинаковые. Это ошибка! Верхние выступы должны быть на 1 — 2 мм больше по краям, иначе каркас придется клеить, что я и делал… Тоже самое и для первой части нижнего ряда.

3)Перед тем как детали изготавливать, полезно их начертить на бумаге и сделать бумажный макет каркаса.

Убедившись в правильности разметки, ее переносят на стеклотекстолит и вырезают. Поскольку у меня нет инструментов наподобие бормашины, то я поступал следующим образом. Я брал кусок размеченного текстолита и просто процарапывал много раз канцелярским ножом с двух сторон, а потом обламывал по линии царапины. Затем полученные куски дорабатываются. В случае щечек в центре по периметру прямоугольника высверливаются много отверстий мелким сверлом, и центр выкусывается кусачиками. При этом следует ставить сверло таким образом, чтобы на линии разметки был его край, а не центр, в противном случае размеры будут уже другими. Оставшиеся неровности стачиваются напильником. Детали керна изготавливаются путем стачивания прямоугольных заготовок до совпадения с чертежом.

После изготовления всех деталей они собираются в каркас.

Рисунок 8. Схема сборки деталей в каркас [6].

Если при изготовлении деталей забыли оставить выступы замка более длинными, то ничего страшного. В этом случае можно каркас собрать, оцентрировать, выровнять и склеить, например, суперклеем. Тут следует проклеивать каркас с внешней стороны, иначе избыток клея будет выступать снизу и мешать намотке.

Отдельно следует сказать о выводах для обмоток. Для этого на концах щечек следует сделать отверстия и приклеить туда кусочки проволоки, например, клеем ЭДП (изначально я хотел просто запрессовать проволоку в отверстия, но идея оказалась не очень хорошей – при испытаниях трансформатора вывод вырвался, едва не порвав обмотку у основания). В этом случае выводы держаться очень прочно. Под выводами следует проложить полоску бумажного скотча для изоляции. Помимо этого нужно сделать ряд отверстий для вывода обмоток наружу таким образом, как приведено на рисунке 8. После сборки каркаса, нужно проверить, подходит ли он. Для этого берут вибитую пластинку и вставляют в каркас. Если пластинка свободно по нему перемещается, то все нормально, однако больших щелей быть недолжно.

Следующей операцией является заготовка изолирующих прокладок. Они необходимы для изоляции слоев друг от друга, а также для изоляции обмоток друг от друга. Дело в том, что эмальпровод, имеет относительно невысокое напряжение пробоя, поэтому из-за отсутствия изоляции трансформатор может прийти в негодность.

В качестве материала можно использовать лакоткань, различную бумагу, фторопласт, майлар. В нашем случае будем использовать бумагу, как отличный изоляционный и доступный материал. Но видов бумаги тоже много, остановим выбор на бумаге для выпечки.

Ее достоинства – дешевизна и малая толщина. Продается она в виде рулонов. Для изготовления изолирующих прокладок следует нарезать бумагу полосками, ширина их определяется шириной каркаса + небольшой запас по краям. Он необходим для того, чтобы крайние витки не проваливались в предыдущие слои. В моем случае ширина каркаса составила 18 мм, а полоски я нарезал шириной 19 мм, т.е. по 0,5 мм запаса с каждой стороны. Для отрезки я пользовался линейкой и канцелярским ножом. В этом случае они получаются ровными. Следует отметить, что недопустимо размечать полоски карандашом, так как графит, содержащийся в нем, проводит ток. Длина полосок не имеет значение, главное, чтобы ее хватало на один виток при изоляции. При этом следует не забывать, что с ростом толщины намотки длина изолирующих прокладок увеличивается, то есть изначально ее нужно брать с большим запасом.

Рисунок 10. Изготовление полосок из бумаги.

После того, как каркас готов, подогнан и проверен, заготовлена бумага можно приступать к намотке. Мотать можно можно вручную и на станке. В данном случае мотать вручную 2732 витка тонкой проволокой неудобно, поэтому был собран несложный станок со счетчиком витков.

Конструктивно станок состоит из трех стоек и основания, шагового двигателя, блока питания и управления для шагового двигателя, магнитного датчика и счетчика витков, ось для крепления каркаса и зажимов.

Рисунок 11. Станок для намотки катушек. Вид сверху.

Для изготовления основания, сначала вырезаются 4 доски и скручиваются саморезами. Затем высверливаются отверстия для двигателя и оси.

Рисунок 12. Детали каркаса станка.

В качестве магнитного датчика используется геркон в паре с постоянным магнитом, который приклеен к деревянному кругу и насажен на ось двигателя. Сам геркон запаян на печатной плате, которая с помощью алюминиевого уголка крепится к одной из стоек.

Рисунок 13. Конструкция магнитного датчика.

В качестве счетчика используется дешевый калькулятор, его вскрывают и припаивают к кнопке «=» контакты геркона. Также в этом станке калькулятор вместо батареек питается через делитель напряжения от блока питания.

Блок питания и управления шаговым двигателем выполнен по следующей схеме [7].

Рисунок 15. Схема принципиальная электрическая блока питания и драйвера для шагового двигателя.

Конструктивно он помещен в деревянную коробочку. Наружу выведены тумблеры реверса, регулятора скорости и тумблера отключения шагового двигателя.

Рисунок 16. Плата драйвера и готовый блок в сборе.

Ось представляет собой обычную железную шпильку диаметром 5 мм. Для сочленения ее с осью двигателя используется кусок резинового шланга, который плотно держит ось двигателя и ось с резьбой.

Зажимы представляют собой квадраты из фанеры, размеры которых подобраны таким образом, чтобы каркас был центрирован на оси. Зажимаются квадраты гайками.

Следует отметить, что в данном эксперименте шаговый двигатель был отключен, так как намотка получалось некачественной. Каркас приводился в движение с помощью рук.

Теперь можно приступить к намотке. Для этого каркас зажимают на оси и центрируют. Напротив него ставят катушку с проводом на какой-либо оси. В моем случае – это лабораторный штатив, поставленный горизонтально. Затем кладется первый слой бумаги, причем желательно более толстой. Делается это для того, чтобы сгладить неровности каркаса и не допустить переламывания эмали провода под прямым углом. После того как она уложена, эмальпровод выводиться через отверстие, на него одевается трубочка, например, оболочка МГТФ, по длине от вывода до нижнего края щечки. С другой стороны щечки провод заклеивается полоской бумажного скотча, чтобы не произошло межвиткового замыкания.

Затем начинают вращать каркас, следя, чтобы намотка проходила виток к витку. В данном случае бумажная изоляция клалась через 2 слоя. Это оптимальный вариант, так как при при большем числе слоем было очень сложно наматывать виток к витку. При 2-х слоях намотка проходила достаточно легко. Мотаем 2732 витка виток к витку (24 слоя), не допуская провалов намотки на предыдущие слои…

Через 17 часов первичная обмотка готова, выводим к выводу, одеваем трубочку, припаиваем и прозваниваем ее мультиметром. Если нет обрыва и есть некоторое сопротивление, то продолжаем. Теперь кладем 2-3 слоя бумаги для межслойной изоляции и наматываем вторичнyю обмотку. На вторичке можно межслойную изоляции не класть, так как получается всего 2,5 слоя и провод достаточно толстый.

Рисунок 20. Намотка вторичной обмотки.

Намотав 75 витков, паяем к выводам, проверяем тестером, докладываем пустоту бумагой до выравнивания с проводом и кладем 2-3 слоя бумаги для изоляции провода от сердечника, причем конец полоски желательно оставить со стороны сердечника. Так конец будет закрыт. Получиться красиво и не оторвется. Все, теперь катушка готова.

Следует сделать некоторые замечания при намотке:

1)Если провод оборвался, не страшно. В этом случае его зачищают с обоих концов, скручивают и спаивают. Спайку заворачивают в бумагу и продолжают намотку. В случае толстого провода не скручивают, а просто спаивают.

2)Пропитка. В моем случае я пропитывал каждый слой при намотке, а также изоляцию. Это делается для того, чтобы увеличить электрическую прочность обмотки, а также для фиксации витков, поскольку при протекании тока витки могут вибрировать, что приводит к истиранию эмали и понижению срока службы трансформатора. В целом, если вести намотку виток к витку как я, то это делать вовсе необязательно, поскольку намотка получается плотной и витки не вибрируют. В случае намотке внавал, а она занимает много места и понижает качество намотки за счет перегибов эмальпровода, то пропитка обязательна. В мощных трансформаторах данная процедура обязательна, поскольку силы, действующие при протекании ток по обмотке достаточно велики.

Следует отметить также недостаток, связанный с увеличением паразитных емкостей, связанный с большим значением диэлектрической постоянной у лака по сравнению с воздухом. Поэтому в случае трансформаторов, чувствительных к данным емкостям, пропитка нежелательна (звуковые и им подобные).

Также нужно обратить внимание на то, что пропитка после намотки не имеет смысла – лак внутрь обмоток не попадет. При пропитке лаком после изготовления катушки следует подождать, пока лак высохнет или заполимеризуется. Теперь несколько слов относительно самого лака. Лучше всего использовать электроизоляционный лак, например, МЛ-92. Нитролак, суперклей и им подобные лучше не использовать, поскольку они могу испортить целостность изоляции. Эпоксидный клеи тоже лучше не применять, поскольку при нагреве медь и эпоксидка расширяются по-разному. Следствием может стать нарушение изоляции. В моем случае я нашел специальный пропиточный акриловый лак. Он продается в радиомагазинах в небольших пластиковых бутылочках.

Итак, ура! Самое трудное сделано! На столе мы имеем готовую катушку довольно красиво выглядящую и очень крепкую. Теперь следует до конца разобрать сердечник трансформатора – донора, поскольку была вибита лишь одна пластина. Для разборки аккуратно проходимся вдоль пластин канцелярским ножом и аккуратно вынимаем по одной пластине. Уходит на разбор обычно минут 30. Сердечник в таком же порядке складываем на столе, чтобы при сборке нового трансформатора собрать его также. Цель этого – собрать сердечник наиболее плотно.

Рисунок 23. Разборка трансформатора.

После разборки собираем новый трансформатор в той же последовательности. Последние пластинки входят очень туго, поэтому следует аккуратно постукивать маленьким молотком, желательно деревянным, чтобы не нарушить структуру трансформаторной стали.

И вот, после недели стараний получаем крепкое, тяжелое и красивое изделие, которое не боится ничего и, при отсутствии явных ошибок, способное проработать весьма длительный срок.

Рисунок 25. Внешний вид готового трансформатора.

Далее его следует испытать. Для этого трансформатор включают в сеть через последовательно включенную лампочку накаливания от холодильника. При этом она должна вспыхнуть и погаснуть. Если замкнуть вторичную обмотку, то лампочка загорится почти полным накалом. Если так и есть, то исключаем лампочку и выжидаем примерно 30 минут. При этом температура изделия должна быть комнатной или немного выше. Далее следуют испытания под номинальной нагрузкой в течение нескольких часов. Если трансформатор нагревается до 50-60 0 С, то можно считать его полностью рабочим и использовать по назначению. Вероятность, что он подведет, будет весьма низка.

Рисунок 26. Испытание трансформатора.

В завершение статьи мной были сняты данные донорного и изготовленного с учетом рекомендуемых параметров трансформаторов, чтобы можно было сравнить, какой из них лучше. Полное сравнение не получится, поскольку товарищи из Китая смогли уместить мощность в донорном трансформаторе в 1,5 раза большую, чем в изготовленном. Но, тем не менее, для общего развития это будет полезно.

Рисунок 27. Испытания трансформаторов.

Данные получены после 1,5 часов работы в номинальных режимах и сведены в таблицу.

Таблица 2. Параметры трансформаторов.

Источник