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.
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.
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 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.
Mega tanie, bezprzewodowe moduły Internet of Things na dobre zadomowiły się w naszych sieciach. Od…
Pewnie nie każdy posiadacz tytułowej stacji lutowniczej wie, że posiada ona możliwość aktualizacji firmware'u. Producent…
Jakiś czas temu, przeglądając Aliexpress natknąłem się na ciekawy shield do Arduino Nano. Według opisu…
W mailach i komentarzach kilka razy przewijała się prośba o ten wpis. Chodzi o aktualizację…
Dziś tematyka audio, a nawet audiofilska. Uznany wzmacniacz słuchawkowy Lehmann Black Cube Linear o dość…
Tradycyjnie w styczniu, publikuję podsumowanie minionego roku na stronie grylewicz.pl. Poniżej trochę liczb, lista najpopularniejszych…
Zobacz komentarze
Cześć!
Bardzo fajnie, że piszesz na ten temat, bo stosunkowo mało jest (przystępnych) materiałów o transformatorach czy różnego rodzaju elementach indukcyjnych, cewkach, dławikach. Szczególnie w ojczystym języku. Na pewno co nieco można znaleźć na stronach "Elportalu" czy "Ferystera", ale dobre artykuły zawsze są "w cenie". Jeśli miałbym się do czegoś przyczepić, to chodziło Ci raczej o prąd/napięcie przemienne, a nie zmienne. To jednak szczegół :)
Pozdrawiam
Cześć, masz rację, w sieci elektrycznej płynie prąd przemienny. Ogólnie elementy indukcyjne nie są zbyt lubiane przez typowych elektroników, ale warto znać chociaż podstawy.
Witam fajny materiał ale wydaje mi się że jest błąd podczas skracania wzoru na ilość zwoi na wolt
N=455000 / B * S [zw/wolt]
powinno być 450450 /...?
Tak, masz rację, jest błąd. Poprawię w wolniejszej chwili :)
Prąd przemienny jest szczególnym przypadkiem prądu zmiennego. Nie każdy prąd zmienny jest prądem przemiennym. Zatem dla prądu z sieci czy transformatora można mówić prąd zmienny jak i prąd przemienny.
Podana teoria sprawdza się dla małych transformatorów, oraz przy założeniu, że mamy do czynienia z sinusoidalnym kształtem prądu. Przyjęte metody uproszczeń są tak asekuracyjne, że faktycznie uda się zrobić transformator, i nie powinno być problemów z np. ciepłem dla zasilanych odbiorników o charakterze rezystancyjnym, czy rezystancyjno-indukcyjnym. Kłopot pojawi się, gdy zaczniemy zastanawiać się nad ekonomią takiej przewymiarowanej konstrukcji, czy gdy będziemy chcieli wykorzystywać pełną moc we współpracy z prostownikiem z filtrem, gdzie amplituda prądu w uzwojeniu transformatora wzrośnie ponad dwukrotnie i będzie przemagnesowywała rdzeń (zwracam uwagę, że piszę amplituda - nie wartość skuteczna). Tej informacji zabrakło, a przydałaby się elektronikom. Zobaczcie sobie na oscyloskopie kształt prądu w uzwojeniu SEC dla zasilania z mostkiem i kondensatorem, oraz odbiornikiem. Nie ma też nic o normach, dopuszczalnych przyrostach temperatur, klasach izolacji drutu, dopuszczalnej różnicy między napięciem jałowym i znamionowym , próbach izolacji, klasach palności materialów itp. Metoda dobra dla amatorów, ale gdyby ktoś chciał z niej skorzystać do produkcji urządzenia z transformatorem wykonanym samodzielnie, to o zgrozo! , tu chodzi o bezpieczeństwo porażeniowe i pożarowe. Uważajcie na to. Podstawowa norma to PN-EN61558 z podrozdziałami.
Ta teoria się nie sprawdza. Błędem jest branie pod uwagę tylko przekroju kolumny środkowej w rdzeniu typu EL, ponieważ dwa trafa o identycznym przekroju kolumny środkowej i o różnych przekrojach kolumn bocznych, nawinięte tym samymi drutami nawojowymi ( podstawa obliczania to przekrój kolumny środkowej) o takiej samej liczbie zwojów po stronie pierwotnej i wtórnej nie będą trafami o identycznych osiągach. Trafo mające kolumny boczne o większym przekroju pozwoli na uzyskanie o 80% wiekszego prądu po stronie wtórnej z zachowaniem nominalnego napięcia
OK, a jakieś wzory? Czy po prostu negacja podanych rozwiązań i tyle?
Wojtek, dziękuję za ten artykuł. Dawno szukałem czegoś przystępnego o transformatorach - chociaż być może nigdy sam transformatora nie zrobię, ale teraz wiem jak to urządzenie funkcjonuje. Chętnie też przeczytam artykuł poświęcony tej tematyce, popełniony przez Ciril i Gomens - tylko, że pewnie takowego nigdy nie napisali - najprościej to krytykować. Pozdrowienia
mam pytanie - co się stanie jeżeli rozbiorę trafo np 100W, policzę uzwojenia i tyle samo uzwojeń nawinę na trafo z większym rdzeniem np od 150 W czy 200 W? Rozumiem że przy niewielkiej różnicy w górę nie powinno mieć znaczenia ale przy większych różnicach - co to spowoduje ?
Ile ludzi tyle komentarzy .
Ktoś poświęcił Swój Cenny Czas , na tego typu zagadnienia .
Awięc szanujmy to , co przekazał , za darmo Wiedzę . A Więc Żyj 100 lat Bez chorób . Pozdrawiam . Rysiek z Prudnika
Cześć. Zauważyłem, że masz dostęp do starszych materiałów o trafach. Czy udało Ci się natknąć na informację jaki rodzaj stali był kiedyś stosowany na rdzenie w trafach sieciowych lub głośnikowych? W obecnych stosują np. ET165 itp. Na temat starszych (np. z lat 1950...1980) nie mogłem nic znaleźć.
W tym temacie chyba nie pomogę.
Witam. Bardzo dobry artykuł. Na jego bazie postanowiłem po wielu latach samodzielnie wykonać kolejny transformator - tym razem większej mocy. Trafiłem jednak na sytuację, której nie rozumiem. Zakupiłem stary transformator produkcji szwedzkiej obniżający napięcie z 220V na 110V (stara porządna robota, metalowa obudowa, tabliczka znamionowa, mocne zaciski...) Wiek szacuję na 20...lat. Na tabliczce ma podaną moc 1500 VA. Chciałem zrobić z niego ładowarkę do zestawu akumulatorów 52 Vdc - ok 22A. Podczas rozbiórki okazało się, że jest to autotransformator z jednym uzwojeniem nawinięty drutem o średnicy 2mm (330 zwojów) z odczepem na 110V. Blachy typowe E+I. Niestety z pomiarów rdzenia (6,6 cm x 4,4 cm) wynika, że można z niego uzyskać mniej niż 600W, korzystając z nomogramu odczytałem, że producent założył gęstość strumienia na poziomie 11.000 Gaussów. Pytanie/wątpliwość: czy do autotransformatorów stosuje się inne zasady przeliczania mocy, którą można uzyskać z rdzenia? Co prawda transformator jest już rozebrany wiec nie mogę przeprowadzić dokładniejszych testów ale drut jakim był nawinięty sugeruje, że rzeczywiście był liczony na około 1,5kVA (gęstość prądu w uzwojeniu niewiele powyżej 2A/mm2). Nie znalazłem wzorów do obliczeń autotransformatorów stąd moje pytanie skąd taka duża rozbieżność pomiędzy danymi oryginału a obliczonymi z wzorów. Czy jest szansa na zrobienie na tym rdzeniu transformatora o mocy około 1kVA?
pozdrawiam
Autotransformatory to inne liczenie. Nie podam wzorów bo nie znam ale proszę zwrócić uwagę, że przez strumień magnetyczny jest przenoszona moc dotycząca tylko różnych napięć w części odbiegającej od zasilania sieciowego. Szeregowo połączone dwa uzwojenia. Zobrazuje to tak, że gdyby z autotransformatora brać na wyjściu takie napięcie jak zasilające to nawet przy bardzo małym przekroju rdzenia można brać dowolnie dużą moc a uzwojenie „pierwotne” pracuje w stanie jałowym. Dla autotransformatorów istotniejszy jest dopuszczalny prąd (natężenia) z racji przekroju drutu uzwojenia.