Меню

Соотношение напряжения тока витков



Упрощенный вид расчета трансформатора

Упрощенный вид расчета трансформатора

Трансформаторы

Но проще и дешевле собрать его своими руками. К тому же сам процесс сборки достаточно интересный. Но как показывает практика, в основе сборки лежит расчет трансформатора, он же блок питания. Поэтому стоит поговорить именно о проводимых расчетах, то есть, разобраться с формулами и указать на нюансы.

Конструкция трансформатора

Конструкция трансформатора.

Конструкция трансформатора

Если посмотреть на трансформатор с внешней стороны, то это Ш-образное устройство, состоящее из металлического сердечника, картонного или пластикового каркаса и обмотки из медной проволоки. Обмоток две.

Сердечник – это несколько стальных пластин, которые обработаны специальным лаком и соединены между собой. Лак наносится специально, чтобы между пластинами не проходило напряжение. Таким способом борются с так называемыми вихревыми токами (токами Фуко). Все дело в том, что токи Фуко просто будут нагревать сам сердечник. А это потери.

Именно с потерями связан и состав пластин сердечника. Трансформаторное железо (так чаще всего называют сталь для сердечника специалисты), если посмотреть ее в разрезе, состоит из больших кристаллов, которые, в свою очередь, изолированы друг от друга окисной пленкой.

Ток фуко

Назначение и функциональность

Итак, какие функции выполняет трансформатор?

  1. Это снижение напряжения до необходимых параметров.
  2. С его помощью снижается гальваническая развязка сети.

Что касается второй функции, то необходимо дать пояснения. Обе обмотки (первичная и вторичная) трансформатора тока между собой напрямую не соединены. Значит, сопротивление прибора, по сути, должно быть бесконечным. Правда, это идеальный вариант. Соединение же обмоток происходит через магнитное поле, создаваемой первичной обмоткой. Вот такой непростой функционал.

Расчет

Существует несколько видов расчетов, которыми пользуются профессионалы. Для новичков все они достаточно сложные, поэтому рекомендуем так называемый упрощенный вариант. В его основе лежат четыре формулы.

Трансформатор позволяет понизить напряжение до необходимых параметров

Трансформатор позволяет понизить напряжение до необходимых параметров.

Формула закона трансформации

Итак, закон трансформации определяется нижеследующей формулой:

  • U1 – напряжение на первичной обмотке,
  • U2 – на вторичной,
  • n1 – количество витков на первичной обмотке,
  • n2 – на вторичной.

Так как разбирается именно сетевой трансформатор, то напряжение на первичной обмотке у него будет 220 вольт. Напряжение же на вторичной обмотке – это необходимый для вас параметр. Для удобства расчета берем его равным 22 вольт. То есть, в данном случае коэффициент трансформации будет равен 10. Отсюда и количество витков. Если на первичной обмотке их будет 220, то на вторичной 22.

Представьте, что прибор, который будет подсоединен через трансформатор, потребляет нагрузку в 1 А. То есть, на вторичную обмотку действует именно этот параметр. Значит, на первичную будет действовать нагрузка 0,1 А, потому что напряжение и сила тока находятся в обратной пропорциональности.

А вот мощность, наоборот, в прямой зависимости. Поэтому на первичную обмотку будет действовать мощность: 220×0,1=22 Вт, на вторичную: 22×1=22 Вт. Получается, что на двух обмотках мощность одинаковая.

Закон трансформации

Внимание! Если в собираемом вами трансформаторе не одна вторичная обмотка, то мощность первичной состоит из суммы мощностей вторичных.

Что касается количества витков, то рассчитать их на один вольт не составит большого труда. В принципе, это можно сделать методом «тыка». К примеру, наматываете на первичную обмотку десять витков, проверяете на ней напряжение и полученный результат делите на десять. Если показатель совпадает с необходимым для вас напряжением на выходе, то, значит, вы попали в яблочко. Если напряжение снижено, значит, придется увеличить количество витков, и наоборот.

И еще один нюанс. Специалисты рекомендуют наматывать витки с небольшим запасом. Все дело в том, что на самих обмотках всегда присутствуют потери напряжения, которые необходимо компенсировать. К примеру, если вам нужно напряжение на выходе 12 вольт, то расчет количества витков проводится из расчета напряжения в 17-18 В. То есть, компенсируются потери.

Площадь сердечника

Как уже было сказано выше, мощность блока питания – это сумма мощностей всех его вторичных обмоток. Это основа выбора самого сердечника и его площади. Формула такая:

В этой формуле мощность устанавливается в ваттах, а площадь получается в сантиметрах квадратных. Если сам сердечник имеет Ш-образную конструкцию, то сечение берется среднего стержня.

Обратите внимание! Все полученные расчетным путем параметры имеют неокругленную цифру, поэтому округлять надо обязательно и всегда только в большую сторону. К примеру, расчетная мощность получилась 35,8 Вт, значит, округляем до 40 Вт.

Разновидности сердечников для трансформатора

Разновидности сердечников для трансформатора.

Количество витков в первичной обмотке

Здесь используется следующая формула:

n=50*U1/S, понятно, что U1 равно 220 В.

Кстати, эмпирический коэффициент «50» может изменяться. К примеру, чтобы блок питания не входил в насыщение и тем самым не создавал лишних помех (электромагнитных), то лучше в расчете использовать коэффициент «60». Правда, это увеличит число витков обмотки, трансформатор станет немного больше в размерах, но при этом снизятся потери, а, значит, режим работы блока питания станет легче. Здесь важно, чтобы количество обмоток уместилось.

Сечение провода

И последняя четвертая формула касается сечения используемого медного провода в обмотках.

Читайте также:  Мощность трехфазного тока что это такое 1

d=0,8*√I, где d – это диаметр провода, а «I» – сила тока в обмотке.

Расчетный диаметр необходимо также округлить до стандартной величины.

Итак, вот четыре формулы, по которым проводится подбор трансформатора тока. Здесь неважно покупаете ли вы готовый прибор или собираете его самостоятельно. Но учтите, что такой расчет подходит только для сетевого трансформатора, который будет работать от сети в 220 В и 50 Гц.

Обозначение трансформатора на схеме

Обозначение трансформатора на схеме.

Для высокочастотных приборов используются совершенно другие формулы, где придется проводить расчет потерь трансформатора тока. Правда, формула коэффициента трансформации и у него точно такая же. Кстати, в этих устройствах устанавливается ферромагнитный сердечник.

Заключение по теме

В этой статье мы постарались ответить на вопрос, как рассчитать трансформатор сетевого типа? Данный принцип подбора является упрощенным. Но для практических целей он даже очень достаточный. Так что новичкам лучше использовать именно его, и не лезть в дебри математических выкладок с большим количеством составляющих. Конечно, в нем не учитываются все потери, но округления показателей компенсируют их.

Источник

Соотношение напряжения тока витков

Причиной написания данной статьи явилась не сложность этих формул, а то, что в ходе проектирования и разработки каких-либо схем часто приходится перебирать ряд значений чтобы выйти на требуемые параметры или сбалансировать схему. Данная статья и калькулятор в ней позволит упростить этот подбор и ускорить процесс реализации задуманного. Также в конце статьи приведу несколько методик для запоминания основной формулы закона Ома. Эта информация будет полезна начинающим. Формула хоть и простая, но иногда есть замешательство, где и какой параметр должен стоять, особенно это бывает поначалу.

В радиоэлектронике и электротехнике закон Ома и формула расчёта мощности используются чаше чем какие-либо из всех остальных формул. Они определяют жесткую взаимосвязь между четырьмя самыми ходовыми электрическими величинами: током, напряжением, сопротивлением и мощностью.

Закон Ома. Эту взаимосвязь выявил и доказал Георг Симон Ом в 1826 году. Для участка цепи она звучит так: сила тока прямо пропорциональна напряжению, и обратно пропорциональна сопротивлению

Так записывается основная формула:

ohms_law-01.jpg

Путем преобразования основной формулы можно найти и другие две величины:

ohms_law-02.jpg ohms_law-03.jpg

Мощность. Её определение звучит так: мощностью называется произведение мгновенных значений напряжения и силы тока на каком-либо участке электрической цепи.

Формула мгновенной электрической мощности:

ohms_law-04.jpg

Ниже приведён онлайн калькулятор для расчёта закона Ома и Мощности. Данный калькулятор позволяет определить взаимосвязь между четырьмя электрическими величинами: током, напряжением, сопротивлением и мощностью. Для этого достаточно ввести любые две величины. Стрелками «вверх-вниз» можно с шагом в единицу менять введённое значение. Размерность величин тоже можно выбрать. Также для удобства подбора параметров, калькулятор позволяет фиксировать до десяти ранее выполненных расчётов с теми размерностями с которыми выполнялись сами расчёты.

Когда мы учились в радиотехническом техникуме, то приходилось запоминать очень много всякой всячины. И чтобы проще было запомнить, для закона Ома есть три шпаргалки. Вот какими методиками мы пользовались.

Первая — мнемоническое правило. Если из формулы закона Ома выразить сопротивление, то R = рюмка.

ohms_law-05.jpg

Вторая — метод треугольника. Его ещё называют магический треугольник закона Ома.

ohms_law-06.png

Если оторвать величину, которую требуется найти, то в оставшейся части мы получим формулу для её нахождения.

ohms_law-07.png

Третья. Она больше является шпаргалкой, в которой объединены все основные формулы для четырёх электрических величин.

ohms_law-08.png

Пользоваться ею также просто, как и треугольником. Выбираем тот параметр, который хотим рассчитать, он находиться в малом кругу в центре и получаем по три формулы для его расчёта. Далее выбираем нужную.

ohms_law-09.png

Этот круг также, как и треугольник можно назвать магическим.

Источник

Как правильно рассчитать количество витков трансформатора для разных типов устройств

При необходимости самостоятельно изготовить устройство питания электронной аппаратуры вопрос, как самостоятельно рассчитать количество витков трансформатора и как определить данные для проводов первичной и вторичных обмоток, стоит наиболее часто.

Правильный расчет возможен при наличии исходных данных по характеристикам мощности потребителей, напряжений входа и выхода. показатели массы и габаритов устройства, также могут накладывать ограничения.

На что влияет количество витков в трансформаторе

Если говорить о вторичных обмотках трансформатора, то значение числа витков в них в основном влияет на выходное напряжение. Сложнее все обстоит с первичной обмоткой, поскольку напряжение на ней задано питающей сетью. Параметры первичная обмотка оказывают влияние на ток холостого хода, а, следовательно, на коэффициент полезного действия. При изменении параметров первичной обмотки потребуется перерасчет всех вторичных обмоток.

витки в трансформаторе

Методика расчета

Полный расчет трансформатора довольно сложен и учитывает такие параметры:

  • напряжение и частоту питающей сети;
  • число вторичных обмоток;
  • ток потребления каждой вторичной обмотки;
  • тип материала сердечника;
  • массогабаритные показатели.

На бытовом уровне для изготовления устройств с питанием от стандартной сети 220В 50Гц, проектирование можно значительно упростить.

Методика не требует особенных знаний сложности, и при наличии опыта занимает немного времени.

Для расчета требуются следующие данные:

  1. Количество выходов.
  2. Напряжение и потребляемый ток каждой обмотки.
Читайте также:  Контроль тока нагрузок потребителя

расчет обмоток трансформатора

В основе конструирования любого трансформатора лежит суммарная мощность всех вторичных нагрузок:

Для учета потерь введено понятие габаритной мощности, для вычисления которой применяется несложная формула:

Зная мощность, можно определить сечение сердечника:

Полученное значение сечения будет выражено в квадратных сантиметрах!

Дальнейшие расчеты зависят от типа и материала выбранного сердечника. Магнитопроводы бывают следующих типов:

  • броневые;
  • стержневые;
  • О-образные.

Также различаются и способы изготовления магнитопроводов:

  • наборные – из отдельных пластин;
  • витые, разрезные или сплошные.

Разрезными обычно бывают броневые или стержневые магнитопроводы, а О-образные конструктивно выполняются исключительно цельные. В этом отношении они ничем не отличаются от не разрезных стержневых сердечников.

броневой магнитопровод

Для определения числа витков используют следующее соотношение, показывающее, сколько необходимо витков на 1 вольт напряжения:

где К – коэффициент, который зависит от материала и типа сердечника.

Для упрощения вычислений приняты следующие значения коэффициента:

  1. Для наборных магнитопроводов из Ш-или П-образных пластин К=60.
  2. Для разрезных магнитопроводов К=50.
  3. Для О-образных сердечников К=40.

Как видно, наименьшая длина обмоточного провода, а следовательно, и наилучшие массогабаритные показатели будут у О-образных сердечников. Кроме этого, конструкции с такими сердечниками имеют малое поле паразитного магнитного рассеивания и максимальный КПД. Их редко применяют только потому, что намотать обмотку на замкнутый сердечник трудно технически.

Зная параметр W, легко определить количество витков для каждой из обмоток:

Для учета падения напряжения на первичной обмотке, намотанной большим количеством тонкого провода, следует увеличить количество витков в ней на 5%. Особенно это касается малогабаритных конструкций малой мощности.

Можно снизить ток холостого хода, увеличив значение W для каждой из обмоток, но следует знать, что чрезмерное увеличение может привести к насыщению магнитопровода, что приведет к резкому увеличению тока холостого хода и снижению напряжения на выходе.

Ш сердечник трансформатора

На заключительном этапе определяют диаметр проводников каждой обмотки. Формула расчета имеет следующий вид:

Определение диаметра обмоточного провода выполняют для всех без исключения обмоток.

Полученные значения округляют до ближайшего большего значения из стандартных диаметров проводов.

Альтернативный метод по габаритам

Ориентировочные параметры трансформатора, исходя из имеющегося в наличии сердечника, допускается определить иным путем., а затем сделать выводы о возможности дальнейшего использования.

Зная площадь сечения магнитопровода в квадратных сантиметрах, можно оценить максимальную мощность, которую способен обеспечить данный преобразователь:

Следует иметь в виду, что данная мощность является габаритной, а реальная будет иметь меньшее значение:

Обычно, при условии соответствия расчетной мощности и требуемой, первичную обмотку, подключаемую в сеть 220 В, можно оставить нетронутой, заново рассчитав только параметры на выходах.

параметры трансформатора

Использование мультиметра

Используя мультиметр, можно найти данные для пересчета обмоток имеющегося трансформатора. Для этого необходимо выполнить дополнительную катушку из любого имеющегося в наличии провода. После подключения устройства в сеть необходимо измерить напряжение на дополнительной катушке. Теперь можно легко подсчитать необходимое число витков на вольт и выполнить перерасчет трансформатора под нужные требования.

Мультиметр

Таблица количества вольт на виток

Для того, чтобы постоянно не выполнять расчеты, можно воспользоваться таблицей, в которой приведены усредненные данные обмоток в зависимости от мощности:

Мощность, P Сечение в см 2 , S Количество вит. /В, W Мощность, P Сечение в см 2 , S Количество вит. /В, W
1 1.4 32 50 9.0 5.0
2 2.1 21 60 9.8 4.6
5 3.6 13 70 10.3 4.3
10 4.6 9.8 80 11.0 4.1
15 5.5 8.4 90 11.7 3.9
20 6.2 7.3 100 12.3 3.7
25 6.6 6.7 120 13.4 3.4
30 7.3 6.2 150 15.0 3.0
40 8.3 5.4 200 17.3 2.6

Примеры реальных расчетов

В качестве примера рассчитаем трансформатор питания для зарядного устройства. Исходные данные:

  • напряжение сети – 220В;
  • выходное напряжение – 14В;
  • ток вторичной обмотки – 10А;

Используя выходные параметры, определяем мощность вторичной обмотки: P=14∙10=140 Вт

Габаритная мощность: P=1.25∙ 140=175 Вт.

Площадь сечения магнитопровода сердечника составит: S=√175=13.3 см 2

Наилучшими параметрами обладают конструкции, у которых сечение сердечника приближается к квадратному. Таким образом выбираем ленточный бронепровод с размерами сердечника 3.5х4 см. Его площадь равняется 14 см 2 .

Для данного сердечника К=50. Таким образом: W=50/14=3.6 вит/вольт

Для обмоток общее количество витков равняется:

  • первичная обмотка n1=220∙3.6= 792 витка;
  • вторичная обмотка n2=14∙3.6=50 витков.

Поскольку трансформатор мощный, то падение напряжения на первичной обмотке можно не учитывать.

Определяем диаметр обмоточных проводов: d2=0.7√10=2.2 мм.

Ближайшее стандартное значение – 2.4 мм.

Для нахождения диаметра провода первичной обмотки найдем ток через нее: I=P/U=175/220=0.8А.

Данному току соответствует диаметр: d1=0.7√0.8=0.63 мм.

Ближайшее стандартное значение имеет как раз такое значение.

Более углубленный расчет предполагает оценку коэффициента заполнения свободного окна магнитопровода. Большое значение числа вторичных обмоток может не поместиться в свободном окне, тогда необходимо будет выбрать более мощный сердечник. При слишком свободном размещении обмоток ухудшается КПД устройства, увеличивается магнитное поле рассеивания. Однако, как показывает практика, при правильном выборе сечения сердечника подобные расчеты становятся излишними.

Источник

Что такое трансформатор. Принцип работы

Что такое трансформатор. Начиная с 1830-х годов, трансформаторы стали важным компонентом в электрических и электронных схемах. И, несмотря на то, что новые передовые технологии в области электроники позволили снизить потребность в трансформаторах, они по-прежнему востребованы в различных устройствах.

Читайте также:  Как определить работу тока физика

Принцип работы трансформатора

Работа трансформатора основана на принципах электромагнетизма, и это позволяет уменьшать или увеличивать напряжения переменного тока. Опыты Майкла Фарадея в 19 веке показали, что изменения тока в проводнике (например, первичная обмотка трансформатора) влияет на изменение магнитного поля вокруг этого проводника. Если другой проводник (вторичная обмотка) находится непосредственно в области меняющегося магнитного поля, то в нем будет происходить наводка напряжения.

фото трансформатор

Коэффициент трансформации

Фарадей также подсчитали, что напряжение, индуцированное во вторичной обмотке будет иметь величину, которая зависит от коэффициента трансформации самого трансформатора. То есть, если вторичная обмотка имеет половину витков от числа витков первичной обмотки, то напряжение на вторичной обмотки будет в два раза ниже, чем напряжение на первичной обмотке. И на оборот, если вторичная обмотка имеет в два раза больше витков, чем у первичной обмотки, вторичное напряжение будет в два раза больше чем первичное напряжение.

Соотношение мощности обмоток

Поскольку трансформатор является пассивным компонентом схемы (не имеет никакого внешнего источника питания), он не может отдавать больше энергии, чем получает. Поэтому, если вторичное напряжение больше первичного напряжения на определенную величину, то ток вторичной будет меньше, чем ток первичной на ту же величину. То есть, если напряжение вторичной обмотки в два раза превышает напряжение в первичной, то ток во вторичной будет в два раза ниже, чем в первичной.

что такое трансформатор

Работа трансформатора может быть описана двумя формулами, связывающие коэффициент трансформации с соотношением витков обмоток трансформатора.

  • U1 = первичное напряжение.
  • I1 = первичный ток.
  • U2 = вторичное напряжение.
  • I2 = вторичный ток.
  • N1 = количество витков в первичной обмотке.
  • N2 = число витков вторичной обмотки.

Потеря мощности в трансформаторе

Формулы, приведенные выше, относятся к идеальному трансформатору. У идеального трансформатора нет каких-либо потерь мощности, то есть мощность первичной обмотки (U1*I1) равна мощности вторичной обмотки (U2*I2).

В то время, как реальные трансформаторы могут быть чрезвычайно эффективным, некоторые потери все же будут происходить, поскольку не весь магнитный поток исходящий от первичной обмотки достигает вторичной обмотки. Потери мощности, которые происходят в трансформаторе бывают трех типов:

Потери мощности в обмотках

Данные потери могут произойти в обмотках, изготовленных из других металлов, чем медь. Потери проявляются в виде тепла, которое возникает в проводах обмоток. Потери мощности в обмотках трансформатора могут быть рассчитаны на основании тока в обмотке и его сопротивления по следующей формуле: P = I2*R2. Чтобы свести к минимуму потери, сопротивления обмоток должно быть низким, используя для этого обмоточные провода подходящего сечения.

Потери на гистерезис

Каждый раз, когда переменный ток вызывает намагничивание и размагничивание сердечника трансформатора (один раз в каждом цикле), вектор напряженности магнитного поля меняет свое направление и на это затрачивается определенное количество энергии.

При этом количество используемой энергии зависит от магнитного сопротивления материала сердечника. В больших сердечниках силовых трансформаторах, где потери на гистерезис представляют собой большую проблему, это решается путем применения специальной кристаллизованной стали, которая создает минимальное магнитное сопротивление.

Потери от вихревых токов

Поскольку железо или стальной сердечник является электрическим проводником в магнитной цепи, изменение тока в первичной обмотке будет иметь тенденцию генерировать ЭДС в сердечнике, а также и во вторичной обмотке. Ток ​​будет оказывать сопротивление изменению магнитного поля, возникающего в сердечнике. По этой причине эти вихревые токи должны быть снижены.

пластины для сердечника трансформатора

Поэтому железный сердечник изготавливают не из цельного куска железа, а собирают из тонких листов или пластин, причем каждая пластина имеет изолирующий слой в виде лака или оксидной пленки. Многослойные сердечники значительно уменьшают образование вихревых токов, не ухудшая при этом магнитных свойств сердечника.

Ферритовые сердечники трансформатора

В высокочастотных трансформаторах потери на вихревых токах снижают путем использования сердечников, выполненный из керамического материала, содержащего большое количество мелких частиц железа, цинка или порошка марганца. Керамика изолирует металлические частицы друг от друга, что дает такой же эффект, как и от тонких пластин и более эффективно при высоких частотах.

ферритовые сердечники трансформатора

Из-за применяемых способов снижения потерь, которые описаны выше, реальные трансформаторы приближаются к трансформаторам с идеальной производительностью. В крупных силовых трансформаторах, КПД составляет около 98%. Поэтому для большинства практических расчетов можно исходить из того, что трансформатор является «идеальным».

Соотношение вольт на виток обмотки

Трансформатор, имеющий в первичной обмотке 1000 витков и вторичной обмотке 100 витков, имеет коэффициент трансформации 1000:100 или 10:1. Поэтому 100 вольт, приложенное к первичной обмотке будет производить вторичное напряжение равное 10 вольтам.

Другой способ расчета напряжения трансформатора является соотношение вольт / на виток. Если подается 100 вольт к первичной обмотке содержащей 1000 витков, то на 1 виток приходится 0,1 вольт (100/1000). Поэтому каждые десять витков на вторичной обмотке будут создавать 1 вольт напряжения.

Источник