Transformatory sieciowe cz. 1 – podstawy

Tradycyjny transformator sieciowy ustępuje miejsca nowoczesnym, ekologicznym “transformatorom” elektronicznym. Jednak nadal jest wszechobecny, a wielu zastosowaniach wręcz niezastąpiony. Warto wiedzieć jak działa i z czego jest zbudowany. Znając kilka prostych wzorów można od podstaw nawinąć transformator, lub przewinąć uzwojenie wtórne, uzyskując potrzebne napięcia i prądy. Temat transformatorów jest dość obszerny, przedstawione poniżej informacje są ograniczone do tych niezbędnych w praktyce. Poniżej pierwsza z trzech części.

Zasada działania klasycznego transformatora sieciowego

Najprostszy transformator sieciowy, składa się z dwóch uzwojeń nawiniętych na rdzeniu i wykorzystuje zjawisko indukcji wzajemnej. Uzwojenie pierwotne jest dołączone do sieci elektrycznej. Przepływający przez nie prąd przemienny o napięciu 230V wytwarza pole magnetyczne, które działając na uzwojenie wtórne, powoduje indukowanie się w nim napięcia (siły elektromotorycznej). Przez uzwojenie pierwotne musi płynąć prąd zmienny, gdyż tylko taki wywoła zmienny strumień magnetyczny, niezbędny do samoindukcji napięcia na uzwojeniu wtórnym. Podłączenie transformatora do prądu stałego wytworzy stały strumień magnetyczny i zwarcie, a na uzwojeniu wtórnym nie pojawi się napięcie.

Poglądowy rysunek transformatora:

Na schematach elektryczny transformator jest oznaczany takim symbolem:

Transformatory sieciowe najczęściej obniżają napięcie, ale mogą też je podwyższać. O ile prawie zawsze spotyka się jedno uzwojenie pierwotne (dołączane do sieci), to uzwojeń wtórnych może być nawet kilka, co pozwala na uzyskanie różnych napięć wyjściowych.

Budowa transformatorów

Wiemy już, że transformator jest zbudowany z przynajmniej dwóch uzwojeń: pierwotnego i wtórnego oraz rdzenia. Uzwojenia często nawija się na karkasie, który nasuwa się na rdzeń – ułatwia to mechaniczne złożenie całości.

Rdzeń wykonany jest z żelaznych blach o różnym kształcie, np. EI – nazwa od ich kształtu przypominającego litery E i I. Takie blachy są składane naprzemiennie i tworzą jednolitą całość:

Tak wyglądają transformatory z karkasem i rdzeniem z blach EI. Uzwojenia wtórne i pierwotne mogą być nawinięte obok siebie (trafo po lewej), lub jedno na drugim, najpierw pierwotne, a na nim wtórne (trafo po prawej):

Rdzeń transformatora może mieć też kształt litery O, zbudowany z kształtek UI lub LL. Poniżej znajduje się zdjęcie takiego transformatora z 2 symetrycznymi, połączonymi szeregowo uzwojeniami pierwotnymi i nawiniętymi na nich uzwojeniami wtórnymi:

Kolejna grupa to transformatory toroidalne, gdzie rdzeń ma kształt okręgu. Ich zalety to mniejsze wymiary przy tej samej mocy w porównaniu z transformatorami na rdzeniach EI i UI, bardziej sztywne napięcia wyjściowe (mniejsze spadki napięć przy obciążeniu), ale przy większych mocach ujawnia się wada – duży prąd rozruchowy transformatora (podczas włączania do sieci), który bez układu soft-startu może powodować problemy np. z zadziałaniem głównych bezpieczników instalacji elektrycznej. Nawijanie transformatorów toroidalnych w warunkach domowych jest dość kłopotliwe (niewygodne).

Obliczenie transformatora – nomogram i kilka wzorów

Obliczenie od podstaw parametrów transformatora nie jest trudne. Przystępując do nawijania musimy wiedzieć z ilu zwojów ma się składać uzwojenie pierwotne i wtórne. Zaczynamy od określenia mocy jaką powinien mieć nasz transformator. Jeśli potrzebujemy na wyjściu (uzwojeniu wtórnym) napięcia o wartości 12V i prądu 5A, to moc wyrażona iloczynem tych wartości wyniesie 60VA. Moc całkowita transformatora musi być większa o 20% z uwagi na straty, więc 60VA*1,2=72VA

Znając moc transformatora, można wyliczyć przekrój rdzenia, korzystając ze wzoru:

gdzie:
P – to moc transformatora,
S – wymagany przekrój rdzenia w cm²

Przekrój rzeczywistego rdzenia dla wymaganej mocy powinien być o 10% większy, z uwagi na izolację blach zwiększającą ich grubość (najczęściej jest to lakier), czyli 1,1*S. Znając przekrój, można zaopatrzyć się w wymagany rdzeń.

Kolejną niewiadomą, jest ilość zwojów na wolt. Do jej obliczenia potrzebujemy przekrój rdzenia, gęstość strumienia magnetycznego (indukcji magnetycznej) i częstotliwość napięcia. Wzór wygląda tak:

gdzie:
N – ilość zwojów na wolt,
f – częstotliwość napięcia sieciowego
Bm – gęstość strumienia magnetycznego (indukcji magnetycznej)
S – przekrój rdzenia

Dla rdzenia zbudowanego z blach żelazowych wartość gęstości strumienia magnetycznego Bm zawiera się w zakresie 10000-14000 Gaussów, częstotliwość napięcia w sieci elektrycznej to oczywiście 50Hz, tak więc wzór można uprościć:

Jeśli przyjmiemy, że Bm wynosi 10000 Gaussów, wzór wygląda tak:

Wzór na liczbę zwojów w uzwojeniach wynosi:

gdzie:
Z – liczba zwojów uzwojenia,
N – liczba zwojów na wolt,
U – napięcie na uzwojeniu.

Z uwagi na rezystancję drutu uzwojeń, wzór nie jest zbyt dokładny. Dla liczby zwojów uzwojenia pierwotnego powinien mieć on postać:

a dla uzwojenia wtórnego:

gdzie e to spadek napięcia na uzwojeniu, równy iloczynowi prądu uzwojenia i rezystancji całej długości drutu użytego do nawinięcia. Wzory te również można uprościć do postaci (uzwojenie pierwotne):

A dla uzwojenia wtórnego:

Teraz czas na określenie grubości drutu nawojowego. Jego wartość jest ściśle związana z prądem uzwojenia. Dla transformatorów o mocy do 70W przyjmuje się gęstość prądu s=2,5-3A/mm², powyżej 70W s=2-2,5A/mm².

Wzory nie są trudne, ale jest jeszcze przydatny nomogram, z którego można szybko odczytać przekrój rdzenia dla wymaganej mocy, liczbę zwojów/wolt i wymaganą średnicę drutu dla danego prądu.

Jak korzystać z nomogramu? Przykładamy jeden koniec linijki do pierwszego wykresu w punkcie założonej wartości strumienia Bm, drugi koniec do trzeciego wykresu w punkcie mocy transformatora lub przekroju rdzenia. Linijka przecina środkowy wykres w punkcie wskazującym na ilość zwojów/wolt. Czwarty wykres pokazuje zależność średnicy drutu nawojowego od prądu płynącego w uzwojeniu.

Nomogram w wersji PDF można pobrać tutaj: nomogram do obliczania transformatora.

Drugą, praktyczną część w której pokazuję jak przewinąć transformator, znajdziesz tutaj: Transformatory sieciowe cz. 2 – praktyka.

Trzecia, również praktyczna część o przewinięciu transformatora “na skróty” z prostymi obliczeniami znajduje się tu: Transformatory sieciowe cz. 3 – nawijanie bez obliczeń.