Самодельный понижающий трансформатор

Переменный электрический ток получил очень широкое распространение в промышленности и технике благодаря легкости его преобразования. Прибор, служащий для преобразования тока одного напряжения в ток другого напряжения почти при одной и той же мощности, называют трансформатором.

Трансформатор (рис. 72, а) состоит из двух катушек 1 и 2, намотанных обмоточным проводом изолированно друг от друга и насаженных на сердечник 3, собранный из отдельных железных полос.

Рис. 72. Самодельный понижающий трансформатор и его части.

Первая обмотка 1, к которой подводится ток от генератора, называется первичной. Вторая 2, от которой ток поступает к потребителю, называется вторичной. Если число витков в первичной обмотке меньше, чем во вторичной, трансформатор называют повышающим, то есть в его вторичной обмотке напряжение выше, чем в первичной. Если же число витков во вторичной обмотке меньше, чем в первичной, трансформатор называют понижающим, то есть напряжение во вторичной обмотке меньше, чем в первичной.

Мощность тока во вторичной обмотке меньше, чем в первичной. Напряжение на обмотках пропорционально числу витков. Если во вторичной обмотке число витков в десять раз больше, чем в первичной, то и напряжение во вторичной обмотке будет в десять раз больше, чем в первичной. Если же число витков во вторичной обмотке в десять раз меньше, чем в первичной, то и напряжение во вторичной обмотке будет в десять раз меньше, чем в первичной.

Большое значение имеют трансформаторы при передаче электроэнергии на далекие расстояния. Передавая ток большой мощности при обычном напряжении (120–220 вольт), можно потерять много электроэнергии на бесполезное нагревание проводов. Эти потери будут тем меньше, чем выше будет напряжение передаваемого тока.

Для повышения напряжения применяют трансформаторы, которые повышают передаваемое напряжение до 220 тысяч и даже до 500 тысяч вольт. Такое высокое напряжение опасно для жизни. На месте потребления напряжение понижают до 120–220 вольт. А для моделей и приборов, изготовляемых юными электротехниками, напряжение надо понижать до 2—24 вольт.

Трансформатор изобрели ученый Павел Николаевич Яблочков и лаборант Московского университета Иван Филиппович Усагин.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Переменный ток, проходя по первичной обмотке, создает в железном сердечнике переменное магнитное поле. Это поле действует на вторичную обмотку трансформатора, создавая в ней электрический ток.

Рассмотрим упрощенный расчет трансформатора на конкретном примере.

Допустим, что у нас имеется пакет трансформаторного железа Ш-образной формы (рис. 72, б). Нас будут интересовать размеры той части пакета, на которую надевается катушка с обмоткой. Эта часть называется сердечником. Ширина одной пластинки нашего сердечника равна 50 миллиметрам, а толщина его набора — 60 миллиметрам. Ширина окна равна 26 миллиметрам, длина — 85 миллиметрам. Надо определить количество витков для первичной и вторичной обмоток, а также определить толщину провода для них.

Весь расчет производится в следующем порядке.

1. Сначала находим площадь поперечного сечения сердечника: 5х6 = 30 кв. сантиметрам.

2. Определяем количество витков для напряжения в 1 вольт, для чего постоянный коэффициент 60 делим на площадь поперечного сечения (в квадратных сантиметрах) трансформатора: 60:30 = 2 виткам.

3. Подсчитываем полное количество витков для первичной обмотки на сеть 220 вольт: 220х2 = 440 виткам.

4. Определяем полное количество витков для вторичной обмотки 48 вольт: 48х2 = 96 виткам.

Теперь надо определить диаметр изолированного обмоточного провода, применяемого для первичной и вторичной обмоток. Диаметр провода подбирают в зависимости от мощности, которую желают получить от трансформатора.

Для наших опытов можно ограничиться мощностью в 200 ватт. Для получения такой мощности нужно по первичной обмотке в 220 вольт пропустить ток величиной: I1=200/220=0,9 ампера, где I1 — ток, проходящий по первичной обмотке.

Обмоточный провод сечением 1 кв. миллиметр выдерживает нагрузку в 2 ампера. Сечение провода первичной обмотки можно определить простым подсчетом: величина тока, проходящего по обмотке, в два раза меньше, чем допустимая величина тока, приходящаяся на 1 кв. миллиметр. Значит, площадь поперечного сечения провода для первичной обмотки равна 1:2=0,5 кв. миллиметра. Этому сечению соответствует диаметр провода приближенно 0,8 миллиметра.

Во вторичной обмотке мощность будет приблизительно 180 ватт. Значит, величина тока I2 во вторичной обмотке может достигнуть I2 = 180/48 = 3,75 ампера, где 180 — мощность во вторичной обмотке, 48—напряжение во вторичной обмотке, I2 — величина тока во вторичной обмотке.

Значит, для вторичной обмотки можно было бы вполне ограничиться проводом, сечение которого равно 3,8 кв. миллиметра. При таком сечении провод имеет диаметр 2,2 миллиметра.

После определения диаметра провода для намотки приступим к изготовлению каркаса катушки, на который будут намотаны сетевая (первичная) и понижающая (вторичная) обмотки.

Каркас катушки склейте из плотного картона (рис. 72, в). Сначала определите размеры щечек 4. Для того чтобы щечки можно было плотно надеть на основу каркаса 5, вырежьте в них отверстия 6 несколько больших размеров, чем площадь сердечника, а именно: по толщине основы каркаса. Затем вырезайте и склеивайте основу из того же плотного картона. После этого на основу наденьте щечки и приклейте их.

Склеенную катушку желательно несколько раз покрыть изоляционным лаком и дать ей просохнуть. Потом возьмите катушку и измерьте внутреннее расстояние от щечки до щечки, а также высоту щечки. Эти измерения делаются для того, чтобы проверить, уложатся ли обе обмотки, если их намотать тем проводом, который мы выбрали по расчету. Предварительный подсчет производится следующими последовательными вычислениями.

1. Определите, какое количество витков уложится в одном ряду, если их плотно укладывать виток к витку. Для этого внутреннее расстояние от щечки до щечки, выраженное в миллиметрах, разделите на диаметр провода, которым производится намотка. В нашем примере внутреннее расстояние равно 80 миллиметрам, а высота щечек—18 миллиметрам. Следовательно, в одном ряду первичной обмотки проводом с диаметром 0,8 миллиметра уложится 100 витков: 80:0,8 = 100 виткам.

2. Подсчитайте количество слоев во всей первичной обмотке. Для этого полное количество витков первичной обмотки разделите на число витков в одном ряду. Получается: 440:100 = 4,4 слоя.

Берем округленно пять слоев, учитывая, что с увеличением числа слоев количество витков в каждом из них уменьшается, то есть не доматывается по одному-два витка до щечек с каждой стороны. Это делается для того, чтобы избежать межвитковых замыканий.

3. Определите, какую высоту займут пять слоев: 5х0,8 = 4 миллиметрам.

При намотке каждый слой изолируйте друг от друга тонкой бумагой, пропитанной парафином. Ее толщину примем равной 0,25 миллиметра. Значит, изоляция (пять слоев) займет 5х0,25 = 1,25 миллиметра.

К этому же следует прибавить толщину изоляционной прокладки между первичной и вторичной обмотками, которая займет 0,8 миллиметра высоты.

Таким образом, первичная обмотка вместе с изоляцией займет 6 миллиметров: 4+1,25+0,8=6,05 миллиметра.

На долю вторичной обмотки остается часть окна высотой 12 миллиметров: 18—6=12 миллиметрам.

4. Определите количество витков, которое уложится в одном слое, если вторичную обмотку наматывать проводом в хлопчатобумажной изоляции диаметром (вместе с изоляцией) около 2,5 миллиметра: 80:2,5=32 виткам.

5. Определите число всех слоев вторичной обмотки, для чего 96:32 =3 слоям.

Вторичную обмотку наматывайте с отводами для получения различного напряжения. Поэтому для отводов от первичного слоя надо дополнительно взять не менее 2,5 миллиметра высоты на каждый слой.

6. Подсчитайте высоту трех слоев вместе с отводами: 2,5 + (2,5х3) = 10 миллиметрам.

Однако не всегда можно найти обмоточный провод с диаметром 2,5 миллиметра. Поэтому иногда приходится подбирать нужное сечение провода из отдельных изолированных проводников меньшего диаметра. В таком случае вряд ли останется свободная часть «окна», предназначенного для вторичной обмотки.

Мы предположим, что во вторичной обмотке трансформатора мощность будет не менее 180 ватт. При 24 вольтах во вторичной обмотке величина тока будет равна 7,5 ампера. При мощности 180 ватт и напряжении 4 вольта во вторичной обмотке величина тока будет 45 ампер: 180: 4 = 45 амперам.

Но провод диаметром в 2,5 миллиметра не может продолжительное время выдержать такого тока, начнет быстро нагреваться, вследствие чего может сгореть изоляция, и трансформатор станет непригодным к употреблению. Поэтому для получения тока большой величины при напряжении в 4, 6 и 12 вольт необходимо сечение провода значительно увеличить.

Если же от трансформатора брать кратковременно ток большой величины, то 1 кв. миллиметр выдерживает ток до 5 ампер. Значит, провод сечением в 2,5 миллиметра может кратковременно выдержать около 27 ампер.

Существует формула, по которой можно определить диаметр провода для вторичной обмотки при плотности тока в 2 ампера на 1 кв. миллиметр.

Эта формула выражается так: I2 =0,8?d2, где d2 — диаметр провода вторичной обмотки, 0,8 —постоянное число, I2—величина тока во вторичной обмотке.

Эту величину легко определить, зная мощность и напряжение во вторичной обмотке.

Для того чтобы можно было изменить сечение проводов при получении желаемых величин напряжения и тока, нужно обмотку на 12 вольт составить из трех отдельных секций по 4 вольта.

На каждую секцию наматывается 8 витков провода диаметром 2,5 миллиметра. Тогда для получения тока большой величины при напряжении в 4 вольта можно все три обмотки соединить между собой параллельно, то есть выводы от начала этих обмоток соединяют вместе, а выводы от концов обмоток соединяют тоже вместе. В этом случае отдаваемая величина тока будет в три раза больше, чем у одной 4-вольтной секции.

Если нужно получить напряжение в 12 вольт, надо все три секции соединить последовательно, то есть конец первой секции с началом второй, а конец второй секции с началом третьей. Оставшиеся свободные концы явятся началом и концом уже 12-вольтной обмотки. При последовательном соединении секций можно брать с 12-вольтной обмотки в три раза меньший ток, чем с тех же секций, соединенных параллельно. Для того чтобы со всей вторичной обмотки можно было получить напряжение в 24 вольта, нужно добавить еще одну секцию на 12 вольт. Тогда, соединив все секции последовательно, можно получить 24 вольта. Чтобы получить с первой секции 2 вольта, нужно сделать отвод от четвертого витка. Чтобы получить 48 вольт, надо намотать еще одну секцию на 24 вольта и присоединить ее последовательно.

На рисунке 72, г показана схема соединения секций между собой. Жирными линиями показано последовательное соединение, а пунктирными — параллельное соединение только трех первых секций. Четвертая секция дает 12 вольт, и ее нельзя включать параллельно с секциями, дающими только по 4 вольта. Для удобства в составлении последовательных и параллельных соединений нужно зажимы, соединенные с выводами от начала каждой секции, расположить в горизонтальный ряд. А против этих выводов, ниже их, следует расположить соответствующие выводы от концов секций. Отвод О от первой секции выводим в середине между выводами Н1 к К1 (начало и конец обмотки секции).

При последовательном соединении всех секций можно получить с соответствующих зажимов следующие напряжения:

Между зажимами H1 и K1 снимается напряжение 4 вольта.

Н1 и К2 — 8 вольт.

H1 и К3 — 12 вольт.

H1 и К4 — 24 вольта.

Н2 и К4 — 20 вольт.

Н1 и О — 2 вольта.

О и К2 — 6 вольт.

H1 и К5 — 48 вольт.

Так производятся простейшие расчеты обмоток трансформатора.

Теперь можно приступить к работе.

Сначала намотайте первичную обмотку. Для этого сделайте отверстие у основания щечки и проденьте через него кончик изолированного гибкого провода. Этот провод припаяйте к обмоточному проводу и намотайте обмотку ровными слоями, виток к витку, изолируя один слой от другого бумагой, пропитанной парафином. Подсчитывайте число витков в каждом слое и результаты записывайте на бумаге.

Закончив намотку первичной обмотки, просверлите в щечке катушки отверстие для вывода второго конца обмотки. Его тоже припаяйте к гибкому проводу, который проденьте в отверстие в щечке катушки. Затем всю обмотку изолируйте бумажной прокладкой так, чтобы первичная обмотка не касалась вторичной.

Вторичную обмотку составьте из пяти отдельных секций. Первые три секции намотайте по восьми витков в каждой. В четвертой секции, рассчитанной на 12 вольт, уложите 24 витка. Все секции наматывайте в одном и том же направлении. В первой секции от четвертого витка сделайте петлеобразный отвод на ток напряжением 2 вольта. На последнюю, пятую, секцию намотайте 48 витков.

Отводы от начала и конца каждой секции помечайте, чтобы не перепутать их между собой при параллельном и последовательном соединении.

После укладки обмоток приступайте к сборке трансформатора. Его пластины собирайте вперекрышку, то есть пластины замыкаются перемычками поочередно с одной и другой стороны.

Для крепления трансформатора к подставке изготовьте лапки. Эти лапки подожмите под болты, стягивающие трансформаторный пакет после сборки (см. рис. 72, д).

Теперь остается изготовить ящик для трансформатора. На передней панели ящика монтируются зажимы, к которым присоединяются соответствующие отводы и сетевая предохранительная пробка.

Вывод шнура к осветительной розетке можно сделать в нижнем правом углу. Над вторичной обмоткой сделайте надпись «Низкое напряжение». Отводы каждой секции обозначьте соответственно: Н1 — начало первой секции, К1 — конец первой секции, Н2 — начало второй секции, К2— конец второй секции, и т. д.

Кроме того, на передней панели в левом углу поместите схему соединения обмоток трансформатора на различное напряжение и силу тока (рис. 72, е).

Мы описали расчеты и изготовление понижающего трансформатора, для которого было использовано готовое трансформаторное железо. Если трудно найти готовое трансформаторное железо, можно в крайнем случае использовать отожженную железную проволоку троса.

Особенность в изготовлении такого трансформатора заключается в том, что каркас катушки делается более прочным. Верхнюю часть обмотки катушки надежно изолируйте, покрывая плотной бумагой, кембриковым полотном и в отдельных случаях изоляционной лентой.

На выводы обмоток надеваются кембриковые или резиновые трубочки. Щечки и отверстия в катушке для сердечника делаются круглой формы.

Сначала произведите намотку катушки, а потом плотно заполните заготовленными и отожженными проволоками отверстия в катушке. После этого сердечник у щечек с обеих сторон скрепите, расплетите проволоки и сгибайте их с одной и другой стороны катушки в направлении друг к другу. Затем эти концы плотно укладывайте друг на друга и расположите так, чтобы по всей окружности щечек получались ровные и аккуратные слои. На первые слои накладываются вторые, на вторые — третьи и т. д. При этом следите, чтобы выводы от обмоток не замкнулись на железную проволоку. После того как все слои проволоки будут уложены, их стягивают в поперечном направлении тоже отожженной проволокой. Затем длинные концы проволок обрезают ножницами (рис. 73).

Рис. 73. Трансформатор ежового типа: Н и К — выводы от сетевой обмотки; Н1, Н2, Н3, Н4 — выводы от начала понижающих обмоток; К1, К2, К3, К4— выводы от концов понижающих обмоток.

Такой трансформатор работает надежно и удовлетворительно. Чтобы его рассчитать, нужно сначала выбрать площадь поперечного отверстия катушки, в которое будет вставлен сердечник из проволок. Все остальные вычисления производят так же, как и в обычном трансформаторе.

Понижающий трансформатор не требует никакого ухода. Он всегда готов к действию и может выдерживать кратковременные перегрузки. Большие перегрузки трансформатора сопровождаются нагреванием обмоток. При сильном нагревании обмоток трансформатор надо выключать.