В подавляющем большинстве случаев для радиолюбителя-коротковолновика при постройке трансформатора питания не столь важны экономичность и наивыгоднейшие данные последнего, сколько возможность из имеющихся под рукой материалов наиболее доступным и простым способом собрать тот или иной тип трансформатора для приемной или передающей установки. При изготовлении на заводе трансформатора, конечно, важно добиться как наибольшей экономичности, так и наименьшей себестоимости конструкции. Всякие могущие иметь место потери тщательно учитываются, соответственно устанавливаются размеры и сечение сердечника, исследуется качество применяемого железа.
Совсем другое положение у любителя: в выборе железа для сердечника возможности ограничены, очень часто необходимо использовать имеющийся уже провод и ко всему — материальные возможности очень и очень незначительны. Наибольшая экономичность и наивыгоднейшие размеры трансформатора, ввиду этого, для любителя имеют второстепенное значение.
Тем не менее, вполне возможно собрать удовлетворительно работающий трансформатор, если только правильно подсчитать его размеры.
Задача настоящей статьи — показать, как это сделать без сложных и головоломных математических подсчетов. Имеющийся опыт полностью подтверждает обоснованность приводимых упрощенных расчетов. Они настолько просты, что позволяют обходиться даже без всяких подсчетов на бумаге.
Теперь о самом расчете трансформатора. Исходим из известной формулы:
В данной формуле магнитный поток Ф = В · q, т. е. равен произведению магнитной индукции (число магнитных линий на 1 кв см) на сечение сердечника в кв см.
Приведенную выше формулу можно поэтому представить в таком виде:
| Z = | E · 108 |
| 4,44 · f · В · q |
Сделав некоторые предположения, можно вообще совершенно расстаться с формулой и обойтись при расчетах единственным числом, которое и следует запомнить раз навсегда.
Частота городского переменного тока в большинстве случаев равна 50 периодам в секунду, магнитную же индукцию — В для нормального трансформаторного железа можно считать в 10.000 магнитных линий на 1 кв см. Далее предположим, что напряжение равно 1 вольту, а сечение сердечника трансформатора — 1 кв. см.
Таким образом
| Z = | E · 108 | = | 1 · 108 | = 45 витков. |
| 4,44 · f · В · q | 4,44 · 50 · 104 · 1 |
Приведем пример: требуется построить трансформатор от сети переменного тока в 220 вольт, имеем в своем распоряжении сердечник сечением в 10 кв см. Для первичной обмотки получим и таком случае
| 45 · 220 | = 990 витков. |
| 10 |
Построить нужный нам трансформатор мы можем при любом сечении сердечника; если сечение сердечника мало — придется намотать большее число витков, и наоборот.
Мы не упоминали еще ничего о мощности трансформатора. Сама по себе она никакого отношения к сердечнику не имеет. Чего недостает в величине площади сечения сердечника, мы можем возместить соответствующим увеличением количества витков обмотки. Мощность влияет только на силу тока и, следовательно, на толщину применяемого провода (конечно, это верно только в том случае, если потери в железе трансформатора малы, т. е. железо взято хорошего качества). Понятно, мощность влияет также на размеры места, занимаемого обмотками трансформатора.
Если при заданной мощности взято слишком малое сечение сердечника, то пришлось бы наматывать на нем столько витков, что весь привод не уместился бы на каркасе катушки, и волей-неволей мы будем в таком случае вынуждены увеличить сечение сердечника. Последнее затруднение разрешается увеличением числа пластин в сердечнике трансформатора.
Для определения нужного сечения провода следует высчитать силу тока, протекающего при полной нагрузке по обмотке трансформатора. Так как мощность трансформатора равна произведению напряжения в вольтах на силу тока в амперах, то для вычисления силы тока достаточно разделить заданную мощность (в ваттах) на данное напряжение (в вольтах).
Учитывая потери, следует заданную максимальную силу тока (при полной нагрузке трансформатора) немного увеличить, примерно на 10—20%. Полученная после этого сила тока окончательно определяет выбор диаметра провода. При этом можно исходить из плотности тока от 3 до 6 амп. на 1 кв мм сечения провода. Выбор плотности тока на 1 кв мм зависит от назначения и конструктивных особенностей трансформатора. В тех случаях, когда трансформатор должен работать с достаточно продолжительными перерывами, во время которых он вполне успеет охладиться, — можно смело допускать нагрузку до 6 ампер на 1 кв мм сечения провода. В тех же случаях, когда трансформатору придется беспрерывно работать более длительное время, то во избежание сильного нагревания трансформатора допускать плотность тока свыше 3 ампер на 1 кв мм сечения провода нельзя. Эти же соображения следует принимать во внимание в случаях, когда конструктивные особенности затрудняют доступ окружающего воздуха и тем содействуют нагреву трансформатора.
С другой стороны, желательно применение провода большего диаметра (и, следовательно, обладающего меньшим омическим сопротивлением) еще и потому, что при слишком большом омическом сопротивлении обмоток трансформатора соответственно увеличивается падение напряжения. Последнее же желательно по возможности уменьшать.
Для расчета места, которое займет обмотка трансформатора, необходимо также знать, сколько умещается витков того или иного провода на 1 кв см. Значение тут имеет не только диаметр голого провода, но и толщина изоляции, зависящая в свою очередь от материала, из которого она сделана (бумажная, шелковая или эмалевая, двойная оплетка или одинарная).
Порядок намотки — правильными слоями или «как попало» — на занимаемое обмоткой место мало влияет; при проводе тоньше 1 мм для укладывания его ровными слоями бумажные прокладки через каждые несколько слоев неизбежны, последнее же в свою очередь увеличивает объем обмотки.
Меньше всего места занимает эмалированный провод, но рекомендовать его можно только при намотке правильными слоями, в противном же случае незначительные, на глаз незаметные, недостатки эмалевой изоляции могут привести к короткому замыканию в обмотке. Лучший провод для трансформатора — имеющий поверх эмалевой изоляции еще и шелковую обмотку. При такой изоляции короткие замыкания обмотки почти не встречаются. При тонком диаметре применяемого провода (напр. менее 0,5 мм), когда намотка правильными слоями затруднительна, следовало бы всегда применять такую двойную изоляцию. Для диаметра 0,5—1,0 мм, при намотке правильными слоями, эмалированная проволока (без обмотки) вполне подходит, в то время как при диаметре свыше 1,0 мм следует применять всегда провод с двойной бумажной изоляцией.
Ниже, для облегчения расчетов, приводится небольшая табличка с числом витков, умещающихся на сечении в один кв см при проводе в одинарной шелковой обмотке.
| Диаметр провода в мм |
Число витков на кв см |
Диаметр провода в мм |
Число витков на кв см |
| 0,05 | 10 000 | 0,5 | 350 |
| 0,1 | 5 500 | 0,6 | 250 |
| 0,15 | 3 000 | 0,7 | 180 |
| 0,2 | 2 000 | 0,8 | 150 |
| 0,3 | 900 | 0,9 | 120 |
| 0,4 | 500 | 1,0 | 100 |
Если употреблять провод с более толстой бумажной изоляцией, то следует диаметр считать вместе с изоляцией. Например: имеем провод ПБД 0,2 мм, диаметр его вместе с изоляцией 0,4 мм. Как видим из таблички, на квадратный сантиметр уложится 500 витков.
Размеры сердечника должны быть достаточными для размещения каркасов катушек с обмотками. Рекомендуется тщательно заранее учесть место занимаемое обмоткой и каркасами, иначе легко может оказаться, что купленный провод не подходит из-за слишком толстой изоляции, вследствие чего он не уложится на данных каркасах, или же боковые щеки каркасов слишком велики по сравнению с размерами заготовленных вами полосок трансформаторного сердечника. Поэтому, как правило, следует всегда сперва изготовить катушки с обмоткой и только после этого приступить к нарезанию полосок для сердечника. В этом случае мы наверняка избежим просчетов в размерах сердечника.
После того как мы вышеуказанным способом подсчитали данные для первичной обмотки, можно таким же путем перейти к определению данных вторичной обмотки.
Сечение провода определяем также в зависимости от силы тока. В том случае, если у нас несколько вторичных обмоток, следует иметь в виду, что общая мощность всех вторичных обмоток (вместе взятых) должна соответствовать той мощности, на какую мы расчитали первичную обмотку. Мощностъ каждой вторичной обмотки в отдельности является только составной частью общей мощности трансформатора.
Число витков вторичной обмотки подсчитывают таким же образом, как для первичной, исходя из нормы 45 витков на 1 вольт при сечении сердечника в 1 кв см. Полученное таким образом общее число витков следует еще на 15—20% увеличить, учитывая получающиеся при нагрузке трансформатора потери, вызывающие некоторое падение напряжения. Точный подсчет потерь (зависящих как от омического сопротивления обмотки, так и от качества железа) слишком кропотливое дело. Да и вряд ли оправдался бы он в данном случае, так как качество применяемого для сердечника железа в большинстве случаев все равно неизвестно. Считая коэффициент полезного действия нашего трансформатора примерно 80%, мы указанным выше увеличением числа витков вторичной обмотки на 15—20% вполне сможем покрыть возникающие потери. В большинстве случаев, особенно в отношении повышающей вторичной обмотки, вовсе не так важна абсолютная точность получающегося напряжения. Точное напряжение важно для питания накала ламп, но и в данном случае опыт показывает, что наилучшим способом получения нужного напряжения является прибавление или убавление витков вторичной намотки уже после окончательной сборки трансформатора. Понятно, что обмотка питающая накал должна быть расположена поверх повышающей и самая конструкция трансформатора должна допускать снятие или прибавление нескольких витков.
В заключение еще несколько слов о форме сечения железного сердечника. При заданной площади сечения сердечника квадратная форма — наилучшая. Если имеющиеся полоски трансформаторного железа слишком узки, то приходится для сборки сердечника избрать прямоугольную форму сечения, набирая большее количество пластин. Выходигь в таком случае за пределы соотношения сторон сечения сердечника сверх 1 : 2 не следует. Слишком возрастут потери и вытекающее отсюда падение напряжения.
Приведенные указания об упрощенном расчете трансформаторов для маломощных передатчиков безусловно облегчают массе наших коротковолновиков постройку необходимых трансформаторов. При пользовании указанными расчетами следует только иметь в виду, что применяемое в нашей любительской практике кровельное железо обладает магнитной индукцией не в 10 000, а только около 6 000 гаусс на кв см. Ввиду этого исходная формула, определяющая число витков, несколько изменится.
Вместо
| Z = | 1 · 108 | = 45 витков. |
| 4,44 · 50 · 104 · 1 |
получится
| Z = | 1 · 108 | = 75 витков. |
| 4,44 · 50 · 6000 · 1 |
При обычном кровельном железе таким образом следует исходить из нормы 75 витков на 1 вольт напряжения и сечении сердечника в 1 кв см.
В качестве примера возьмем расчет трансформатора для электролитического выпрямителя, описанного т. Минц в №5 «CQSKW» за текущий год. Имеем следующие данные: питание от сети городского переменного тока в 120 вольт, напряжение вторичной обмотки трансформатора 300 вольт, наибольшая сила тока при нагрузке, учитывая и утечку в выпрямителе — 0,1 амп. Мощность нашего трансформатора 300 × 0,1 =30 ватт. Наибольшая сила тока в первичной обмотке 30 : 120 = 0,25 амп. Прибавив 20% на потери, получим 0,3 амп. при полной нагрузке трансформатора.
Находим число витков в первичной отмотке. Сердечник у нас с площадью сечения 3 × 3 = 9 кв. см. По формуле, приведенной выше, получим:
| 75 · 120 | = 1000 витков. |
| 9 |
Вторичная обмотка должна иметь
| 75 · 300 | = 2 500 витков. |
| 9 |
Учитывая падение напряжения, добавляем 20% и окончательно получим 3000 витков.
При определении диаметра провода исходим из плотности тока в 3 амп. на 1 кв мм площади сечения (см. таблицу II). Для первичной обмотки выбираем провод ПБД 0,4 мм, толщина с изоляцией 0,5 мм. Для вторичной — ПБД 0,2 мм (толщина с изоляцией 0,3).
Так как общее число витков (1 000 + 3 000) наматывается на двух каркасах (по 500 первичной и 1 500 вторичной), то первичная обмотка на каждой катушке займет сечение (согласно таблицы) около 2 кв см, вторичная (согласно тем же данным) тоже около 2 кв см. Всего же обмотка займет в сечении около 4 кв см (рис. 1). Длина катушки обычно берется примерно вдвое больше стороны сечения сердечника. В нашем примере получаем 3 см × 2 = 6 см. Исходя из этого мы можем заранее учесть, что щечки каркасов катушек в 1 см (см. рис.) вполне достаточны, так как дают возможность занять для обмотки (в сечении) до 6 кв см, в то время как нам потребуется всего 4 кв см.
Изготовив катушки, всякий без труда наметит размеры отдельных полосок сердечника. Таким образом, всякий любитель, запомнив только число 75 и формулу
| 75 · напряжение в вольтах |
| на площадь сечения сердечника в кв см |
в любое время сумеет рассчитать нужный ему трансформатор. Для облегчения расчетов мы приводим еще одну таблицу, в которой даны силы токов, допустимые при разном сечении провода для определенной выбранной нагрузки на 1 кв мм.
| Диаметр провода |
Сила тока в амперах в зависимости от нагрузки на кв мм сечения провода | |||||
| 1 амп. | 2 амп. | 3 амп. | 4 амп. | 5 амп. | 6 амп. | |
| Допустимая нагрузка | ||||||
| 0,1 | 0,008 | 0,016 | 0,024 | 0,032 | 0,040 | 0,048 |
| 0,2 | 0,032 | 0,064 | 0,096 | 0,128 | 0,160 | 0,192 |
| 0,3 | 0,07 | 0,14 | 0,21 | 0,28 | 0,35 | 0,42 |
| 0,4 | 0,125 | 0,25 | 0,37 | 0,50 | 0,62 | 0,75 |
| 0,5 | 0,2 | 0,4 | 0,6 | 0,8 | 1,0 | 1,2 |
| 0,6 | 0,3 | 0,6 | 0,9 | 1,2 | 1,5 | 1,7 |
| 0,7 | 0,4 | 0,8 | 1,2 | 1,6 | 2,0 | 2,4 |
| 0,8 | 0,5 | 1,0 | 1,5 | 2,0 | 2,5 | 3,0 |
| 0,9 | 0,6 | 1,2 | 1,8 | 2,4 | 3,0 | 3,6 |
| 1,0 | 0,8 | 1,6 | 2,4 | 3,2 | 4,0 | 4,8 |