Любой трансформатор – это преобразователь переменного напряжения, работающий по закону электромагнитной индукции, выявленному М. Фарадеем.
Технически подавляющее большинство использующихся в радиоэлектронике трансформаторов выполнены с применением ферромагнитных сердечников, ходя на сверхвысоких частотах можно обойтись и без них. Ферромагнетики практически без искажений передают электромагнитные колебания (поле) от одной катушки к другой.
Для справки, ферромагнетики – это вещества, способные сохранять намагниченность даже без внешнего источника магнитного поля.
Если говорить о видах трансформаторов, то среди действующих моделей выделяют:
1.Двух- или трехфазные;
2.Пиковые;
3.Импульсные;
4.Силовые;
5.Сварочные;
6.Напряжения, тока;
7.Разделительные и согласующие;
8.Вращающиеся;
9.Воздушные и масляные;
10.А также другие.
По типу конструкции бывают:
1.Броневые (обмотки окружены сердечниками);
2.Стержневые (магнитопровод преимущественно расположен только внутри обмоток);
3.Тороидальные (подразумевается сердечник в форме тора/тороида, то есть кольца).
Рис. 1. Стержневой трансформатор
Рис. 2. Броневой трансформатор
Принцип работы не зависит от типа конструкции. Исполнение корпуса влияет преимущественно на технологический процесс изготовления конечного изделия.
Ниже подробнее остановимся только на тороидальных трансформаторах.
Рис. 3. Тороидальный трансформатор
Принцип работы тороидальных трансформаторов
Работа тороидального трансформатора ничем не отличается от других типов преобразователей:
1.Переменное напряжение на первичной обмотке порождает переменное магнитное поле;
2.Ферромагнетик (сердечник) передает магнитное поле на вторичную и другие обмотки (если их больше, чем одна);
3.В проводнике вторичной обмотки (и последующих) по закону электромагнитной индукции создается электрический ток с той же частотой, что и на первичной обмотке.
Конечно, идеальная модель предполагает преобразование без потерь мощности, но на практике энергия передается на вторичные обмотки не вся. Потери возможны из-за вихревых токов в самом сердечнике, незадействованных петлях гистерезиса (силовых линиях магнитного поля) и др.
При идеальной трансформации работает следующее соотношение:
Где n – коэффициент трансформации, U1 и U2 – напряжения на первичной и вторичной обмотках, а I1, I2 – силы тока, N1 и N2 – количество витков.
Отсюда видно, что чем больше витков на вторичной обмотке, тем выше напряжение и меньше сила тока на ней, и наоборот.
Намотка тороидального трансформатора
Прежде, чем намотать трансформатор, необходимо правильно его рассчитать.
Подробно на процессе расчета останавливаться не будем, но отметим ряд моментов:
1.Количество витков и диаметр проволоки напрямую влияют на габариты сердечника (тора). Чем больше витков и диаметр проводника, тем больший объем займет обмотка, а значит в определенных габаритах она может не вписаться в кольцо текущего сердечника;
2.Изоляцию проводника обязательно стоит учитывать. Диаметр провода при расчете габаритов считается только вместе с изоляцией;
3.Без изоляции провод для намотки использовать нельзя;
4.Сечение магнитопровода (тора) должно быть взято с запасом не менее 30% от расчетной мощности получаемой энергии в первичной обмотке (в общем случае сечение в см2 равно квадратному корню от мощности первичной обмотки в ваттах);
5.Сердечник должен быть изолирован от обмоток;
6.Мощность первичной и вторичной обмотки – одинаковая, поэтому при уменьшении количества витков на вторичной, растет сила тока, а значит, должна быть и больше площадь сечения провода.
Технология намотки тороида заметно медленнее, чем во всех остальных типах трансформаторов. Это связано с тем, что провод необходимо каждый раз вдевать в кольцо, чтобы сделать каждый виток. И чем длиннее провод, тем дольше будет процесс "вдевания".
В качестве проверенных решений применяются:
1.Челноки (небольшие катушки, способные протиснуться во внутренний диаметр тора вместе с намотанным на них проводом);
Рис. 4. Челнок
2.Специальные разъемные кольца (обычно они большого диаметра, после сборки на торе, провод сначала наматывается на разъемном кольце, а потом переносится на тороид).
Рис. 5. Разъемные кольца
Последний способ применяется в промышленном производстве.
Ну и напоследок – технология намотки (смотри изображение ниже). Мотать каждую отдельную обмотку на своем участке тора – неправильно! Провода должны быть распределены по всей площади тора.
Рис. 6. Технология намотки тороидального трансформатора