Тороидальный трансформатор своими руками

На практике выделяют достаточно большое разнообразие преобразователей электрической энергии, как по конструктивным особенностям, так и по принципу действия. Среди устройств для изменения величины напряжения существуют броневые, стержневые и тороидальные трансформаторы. Последний вариант по своей форме напоминает бублик, за счет чего он является наиболее эффективным в части передачи магнитного потока. Его КПД может приближаться к 100% и отличается достаточной простотой намотки, поэтому многие радиолюбители стараются изготовить тороидальный трансформатор своими руками.

Конструкция и принцип работы

Конструктивная особенность такого трансформатора заключается в форме магнитопровода, которая представляет замкнутое кольцо, называемая тором.

В остальном состав его элементов идентичен другим типам электрических машин:

• Обмотка – выполняется медным проводником, разделяется на первичную и вторичную. Обе обмотки могут отличаться сечением проводника.
• Тороидальный сердечник — имеет форму кольца, изготавливается наборной шихтовкой, ленточной сталью или монолитным железом, в зависимости от габаритов и назначения. В качестве материала берутся ферромагнитные сплавы, обеспечивающие хорошую магнитную проводимость.
• Изоляционных материалов – часть диэлектрика заранее наносится на монтажных провод, остальной диэлектрик разделяет катушку тора с железом, обмотки между собой, между катушками и кожухом. В качестве изоляции используются ленточные или лакотканевые материалы, электроизоляционный картон, клей и т.д.
• Защитный кожух – предназначен как для защиты силового трансформатора от механических повреждений, так и для предотвращения контакта человека с поверхностью обмоток.
• Выводы вторичной и сетевой обмотки, крепежные и вспомогательные детали.

Рис. 1. Конструкция тороидального трансформатора

Принцип действия тороидального преобразователя заключается в подаче напряжения питания на выводы первичной обмотки. После чего в ней начинает протекать электрический ток, который создает магнитный поток внутри витков. Магнитный поток перемещается внутри каркасов катушек и наводит ЭДС во вторичной обмотке. При условии подключения нагрузки к ее выводам будет происходить потребление заданной мощности.

Данное устройство нашло применение в тороидальных автотрансформаторах (ЛАТРах), радиоэлектронике, сварочных трансформаторах и прочих преобразователях. В домашних условиях занимаются перемоткой трансформатора такого типа за счет относительно простого процесса.

Изготовление своими руками

Чтобы изготовить тороидальную электрическую машину вам необходимо определиться с ее типом. Всего выделяют повышающий и понижающий трансформатор, в первом случае с низкого напряжения, к примеру, 220В получают высокое — 600В, а во втором, с высокого низкое, как наиболее распространенный вариант с 220В – 12В. Важным параметром для изготовления и расчета тороидального агрегата является коэффициент трансформации, показывающий, во сколько раз изменяется электрическая величина во вторичной обмотке по отношению к первичной. Для его определения используется одно из следующих соотношений:

U₁ и U₂, I₁ и I₂ — величина напряжения и тока в обмотках, W₁ и W₂ – это число витков.

Что необходимо для работы?

Вам обязательно пригодится набор слесарных инструментов для элементарных работ: отвертки, пассатижи, круглогубцы, ножи, паяльник, заклепочник и т.д. Также для того чтобы намотать тороидальный сетевой трансформатор или самодельный сварочный агрегат вам понадобятся некоторые материалы:

• Медный провод с лаковым покрытием – можете взять и с виниловой изоляцией, но у него будет толщина больше. Как результат, намотка потребует больших усилий, что не сильно удобно при большом числе витков.
• Устройство для намотки – чаще всего применяется либо автоматизированный механизм с кольцевым расцеплением, либо челночная катушка. Первый позволяет наматывать провода быстро и без лишних усилий, но его приобретение или самостоятельное изготовление требует дополнительных затрат. Второй способ куда проще, но он хуже применяется для жил большого сечения.
• Изоляционный материал – вам пригодится электроизоляционный картон, полимерный диэлектрик, лакотканевая изоляция, тканевая изолента. Чтобы перемотать трансформатор можно использовать не все вышеперечисленные материалы, а выбрать некоторые из них.
• Магнитопровод или тор – наилучшим вариантом будет готовый заводской сердечник круглой формы от другого трансформатора. Однако если его нет, можно собрать тороидальную конструкцию самостоятельно. Для этого подойдет шихтовка от стержневого магнитопровода.

Возьмите длинный лист стали и согните кольцом, на краю зафиксируйте концы.

Рис. 2. Согните пластину железа

Внутрь полученного тороидального листа поместите следующий, следите за тем, чтобы края ложились стык в стык. При необходимости, края можно подрезать, что особенно актуально на внутренних слоях. Каждую пластину необходимо четко обжимать, чтобы при мотании тор получился плотным без зазоров.

Если вы решите изготовить сердечник, его края обязательно следует обработать эпоксидным клеем с обеих сторон. После этого сборку сердечника можно считать оконченной. Помимо этого можно использовать ленточную сталь, которую по такой же технологии закручивают плотной по спирали.

Рис. 3. Намотайте сердечник из ленточной стали

Расчет

Чтобы начать вычисления, вам необходимо определиться с величиной напряжения на вторичной и первичной обмотке и нужной мощностью тороидального трансформатора. Далее вам понадобится определить сечение тора:

S = H * ((D-d))/2

• S – площадь сечения магнитопровода;
• H – высота тороидального сердечника;
• D – внешний диаметр тороидального сердечника;
• d – внутренний диаметр тороидального сердечника.

Чтобы вычислить количество витков воспользуйтесь двумя выражениями для коэффициента передачи магнитопровода:

Здесь k – коэффициент передачи, f – частота в подключаемой сети, S – площадь сечения магнитопровода. W₁ – число витков в первичной катушки, U₁ – напряжение в первичке. Из второй формулы вы узнаете количество витков, аналогично рассчитываются витки для вторичной обмотки тороидального трансформатора.

Чтобы определить сечение проводов катушек преобразователя, воспользуйтесь формулой:

• S – площадь сечения проводника трансформатора;
• P – мощность тороидального трансформатора;
• ρ – удельная проводимость материала жил (для меди 0,017 Ом*мм 2 /м);
• U – напряжение в соответствующей обмотке трансформатора;
• l – длина проводника в катушке, этот параметр можно узнать из следующей формулы:

И длину и сечение трансформатора можно рассчитать для каждой обмотки отдельно. После того как расчет тороидального агрегата готов, можно переходить к его намотке.

Намотка

Процесс изготовления самодельного трансформатора будет состоять из нескольких этапов:

• осмотрите тороидальный магнитопровод на предмет отсутствия заусениц и неровностей – поверхность должна быть ровной, без выпирающих краев.

Рис. 4. Осмотрите сердечник

• изготовьте для пластин самодельного трансформатора изоляцию из электротехнического картона, при его отсутствии можете взять любой другой диэлектрик;

Рисунок 5: заизолируйте сердечник картоном

• чтобы не повредить изоляцию провода, наденьте на край челнока виниловую трубку и намотайте медный провод;

Рис. 6. Виниловая изоляция на край челнока

• припаяйте край провода к первому выводу обмотки тороидального трансформатора;

Рис. 7. Припаяйте провод к выводу трансформатора

• заизолируйте электроизоляционным картоном и закрепите место пайки на сердечнике;

Рис. 8. Закрепите место пайки на сердечнике

• с помощью челнока намотайте обмотку, при этом старайтесь делать витки, как можно плотнее к сердечнику;

Рис. 9. Намотайте обмотку челноком

• заизолируйте первичную обмотку тороидального трансформатора.

Рис. 10. Заизолируйте первичную обмотку

Перемотка вторичной обмотки осуществляется аналогичным образом, после чего ее так же изолируют и всю конструкцию, при необходимости, закрывают корпусом. Тороидальный трансформатор готов.

Видео инструкция

Автомобильное зарядное устройство для аккумулятора

Автомобильный аккумулятор требует внимания — это факт. Несмотря на уверения маркетологов, которые уверяют нас в полной и безоговорочной «необслуживаемости» наших батарей, надо следить за источником питания наших автомобилей. Теоретическая «необслуживаемость» еще не означает , что к батарее можно относиться попустительски.

Приступить к изготовлению собственного зарядного устройства для автомобильного аккумулятора меня вынудили первые, серьезные, морозы и «неожиданно» севший, довольно старый (4 года), аккумулятор. У меня есть зарядник заводского изготовления, рассчитанный на зарядный ток 5А, по крайней мере, так написано на этикетке, но он заряжает батарею долго и нудно. После блэк-аута, который приключился у меня, ему потребовалось бы двое суток, чтобы оживить батарею.

Пациент — стандартная аккумуляторная батарея, емкостью 55 А/ч, которая из «плюшек» имеет лишь встроенный ареометр. По всем показаниям ей, для зарядки, требуется ток 5 А/ч, но пациент старый и хотелось бы заодно с зарядкой провести десульфатацию аккумулятора, чтобы реанимировать его былые возможности и продлить срок эксплуатации — в кризисные времена нет желания тратиться на новые прибамбасы, если можно оживить старые.

Навыки обращения с трансформаторами и паяльником у меня имеются, да и физику с электротехникой я изучал еще в советские времена, итак приступим.

Трансформатор ТС-250 и снятие старой вторичной обмотки

Для успешной операции нам потребуется силовой трансформатор ТС-250 или ТС-180. Такие трансформаторы раньше применяли в телевизорах. В этих трансформаторах все рассчитано на большие токи, недаром цифры в модели трансформатора означают мощность в ваттах (250 и 180 ватт). В моем случае был использован трансформатор ТС-250.

Для целей изготовления зарядного устройства нам потребуется лишь первичная обмотка этих трансформаторов. Чтобы избавиться от лишнего груза, надо отмотать всю вторичную обмотку с обеих катушек.

Чтобы приступить к отматыванию вторичной обмотки надо разобрать трансформатор, предварительно пометив выводы, где находится вход питания 220 вольт, то есть первичную обмотку, которую мы оставляем на катушках.

Удаляем все конденсаторы, припаянные к выводам, для зарядного устройства они не нужны.

Перед разборкой трансформатора надо пометить местоположение сердечника, направление намотки проводов и расположение катушек. После сборки крайне желательно все вернуть на место «как было». Если собрать трансформатор неправильно он будет сильно гудеть. А если, к тому же, неправильно намотать вторичную обмотку (в неправильном направлении), то он вообще работать не будет из-за противотока.

Мусора и проводов при отмотке старой вторичной обмотки будет много, поэтому это лучше делать в гараже или на открытом воздухе, где не жалко намусорить.

Провод вторичной обмотки 2,5 мм 2

В наше насыщенное время в магазинах доступно практически всё, кроме хороших, лакированных, медных, проводов для намотки трансформатора. О проводах в шёлковой изоляции даже и мечтать не приходится, поэтому было решено использовать обычные медные жилы в ПВХ-изоляции. Такое упрощение значительно снижает качество и надежность трансформатора, но упрощает поиск нужных материалов.

В обычном, строительном, магазине было закуплено 4 метра двухжильного кабеля в двойной изоляции, сечением 2,5 мм 2 . Один виток равен, примерно, 7 см, а потому для 44 витков надо около 3,08 метра провода. С учетом выводов и припусков получается 3,3 метра, но в магазинах с такой точностью вам провод не продадут.

Диодный мост KBPC2501 (MB251) на 25А/100В

Зарядное устройство, в нашем случае, получится довольно мощное, поэтому надо приобрести достойный диодный мост, предназначенный для выпрямления больших токов.

Диодный мост KBPC2501 с прикрепленным к нему радиатором позволяет вам не заботиться о нагрузке на трансформатор — он полностью перекрывает его возможности, ведь он способен выпрямлять ток величиной 25 ампер, а напряжение вторичной обмотки на холостом ходу будет не выше 18 вольт.

Наматываем вторичную обмотку

На подготовленные катушки трансформатора (на них должна остаться только первичная обмотка) наматываем по 22 витка подготовленного провода. Конечно жилы разноцветные, но это очень удобно для идентификации катушек.

Напоминаю, направление витков новой обмотки должно совпадать с направлением витков старой, снятой обмотки — это архиважное условие! Внутренние концы обмоток припаиваем к тем же выводам, где были внутренние концы старой вторичной обмотки и соединяем их перемычкой. Если убирали перемычку первичной обмотки, то восстановите ее на старое место.

Почему 22 витка на катушку, а потому, что я не хочу вас утомлять расчетами обмотки. Если вам требуется зарядник на 24 вольта умножьте количество витков на каждой обмотке на 2 и т.д.

Сборка трансформатора

Катушки с намотанной вторичной обмоткой собираем на О-образный сердечник магнитопровода, соблюдая метки, которые мы нанесли при разборке, иначе загудит на весь дом. Между половинками магнитопровода можно нанести клей, типа момент, но только после испытаний. Клей позволит уменьшить шум до минимума.

Испытания и завершение работы

К выводам собранного трансформатора надо припаять кабель с вилкой, для включения в розетку 220 вольт и провода для подключения к диодному мосту. Я выбрал гибкие, многожильные, кабели, сечением 2,5 мм 2 .

Провода припаянные к клеммам вторичной обмотки присоединяем к «

» — выводам диодного моста в любой последовательности. К положительному и отрицательному выводам диодного моста припаиваем хорошие, медные, провода (кабель).

Диодный мост зарядного устройства

К верхней части диодного моста прикрепляем хороший радиатор для отвода тепла. Я использовал радиатор от системы охлаждения процессора AMD Athlon — Thermaltake. Он рассчитан на отвод 100 ватт тепла. Радиатор справляется со своими обязанностями без дополнительно обдува, но значительно нагревается при работе.

Корпус для трансформатора подбирайте по своему вкусу, но обязательно предусмотрите хорошую вентиляцию и виброизоляцию — под нагрузкой трансформатор нагревается и вибрирует (именно вибрирует, гудение будет слышно, если поместить его в коробку, которая служит резонатором).

Резюме

Готовое зарядное устройство обойдется вам в 200 рублей, потраченных на покупку диодного моста и проводов. Сам трансформатор вы вряд ли найдете в продаже, поищите у старых радиолюбителей.

Это зарядное устройство, изготовленное своими руками, позволит заряжать автомобильный аккумулятор за 12 часов, доводя его до нужной кондиции. Например, он позволяет увеличить плотность электролита с 1,20 до летней нормы 1,27 за в зависимости от возраста пациента.