Расчет трансформатора и выпрямителя

Введение

Одним из важнейших направлений  развития научно-технического прогресса  сегодня является развитие электроники. Достижения электроники влияют на развитие общества.

Современная электроника  характеризуется сложностью и многообразием  решаемых задач, высоким быстродействием и надёжностью.

Электронные устройства применяются  во многих отраслях промышленности, транспорта, связи, а также в быту. Наиболее часто применяемыми электронными устройствами являются такие, как автоматическое технологическое оборудование, радио- и TV аппаратура, персональный компьютер, микропрцессоры, усилители сигналов, счётчики, интегральные микросхемы и т.д.

Для питания большинства  радиотехнических и электронных  устройств требуется выпрямленное напряжение с заданными параметрами. Для того, чтобы получить необходимое напряжение на нагрузке, его сначала надо преобразовать с помощью трансформатора. Далее преобразованное напряжение необходимо выпрямить при помощи выпрямителя собранного на вентилях. Для выпрямителей, предназначенных для питания различных радиотехнических и электронных устройств, допустимый коэффициент пульсации напряжения на нагрузке не должен превышать определённую величину. Наличие пульсаций выпрямленного напряжения ухудшает работу потребителей, питаемых выпрямленным напряжением, поэтому в большинстве случаев выпрямители содержат сглаживающие фильтры.

Описание схем.

Блок схема

Принцип действия трансформатора.

Трансформатор – устройство,  предназначенное  для  изменения  величины переменного напряжения,  -  является  практически  обязательным  структурным элементом  источника  вторичного  электропитания.  При  наличии   первичного источника, вырабатывающего переменное напряжение,  трансформатор  достаточно часто включается в источник вторичного электропитания  в  качестве  входного элемента.  В  этом  случае   трансформатор   называется   силовым,   и   его функциональное  назначение  заключается  в  преобразовании  входной  системы переменного напряжения (однофазной или  трехфазной)  в  одну  или  несколько других   систем   переменных   напряжений,    используемых    для    питания соответствующих потребителей постоянного  и  переменного  тока.  В  системах питания  электронной  аппаратуры  применяют  силовые  трансформаторы   малой мощности ( не более 4 кВ-А для однофазных и 5  кВ-А для трехфазных  систем переменного тока).  Они в большинстве   случаев   работают   при   низких напряжениях на  обмотках   (до   1кВ),   синусоидальной   или   близкой   к синусоидальной форме преобразуемого  напряжения  и частоте,  равной  50  Гц (частота промышленной сети).

      Электронная   аппаратура,  как  правило,  требует  наличия  постоянного

напряжения питания одного  или  нескольких  уровней.  Поэтому  в  источниках вторичного электропитания силовой трансформатор работает совместно  с  одним или  несколькими  выпрямителями  –  устройствами,   преобразующими   системы переменных  напряжений  в  постоянные  по  полярности   и  пульсирующие   по величине (выпрямленные) напряжения.

Области применения трансформаторов.

Трансформаторы широко используются для следующих целей:

1. Для передачи и распределения электрической энергии.
2. Для обеспечения нужной схемы включения вентилей в преобразовательных устройствах и согласования напряжения на входе и выходе преобразователя.
3. Для различных технологических целей: сварки (сварочные трансформаторы), питание электротермических установок (электропечные трансформаторы) и др.
4. Для включение электроизмерительных приборов и некоторых аппаратов, например реле, в электрические цепи, по которым проходят большие токи, с целью расширения пределов измерения и обеспечения электробезопасности.

    Трансформаторы, применяемые   для этой цели, называются измерительными. Они имеют сравнительно большую мощность, определяемую мощность, потребляемой электроизмерительными приборами, реле и др.

5. Для питания различных цепей радио- и телевизионной аппаратуры; устройств связи, автоматики и телемеханики, электробытовых приборов; для разделения электрических цепей различных элементов этих устройств; для согласования напряжений и т.п.

  Трансформаторы, используемые в этих устройствах, обычно имеют малую мощность (от нескольких вольт-ампер до нескольких киловольт-ампер), невысокое напряжение, работают при частоте 50 Гц и более. Их выполняют двух-, трех- и многообмоточными; условия работы, предъявляемые к ним требования и принципы проектирования весьма специфичны.    

      Как правило, трансформаторы  питания изготавливаются комбинированными, т.е. позволяющими снимать несколько  напряжений; при этом первичная  обмотка (сетевая) может быть  выполнена в виде одной обмотки  с двумя отводами или двух  одинаковых обмоток с одним  отводом в каждом из них.  Во втором варианте первичная  обмотка на различные напряжения (110, 127 или 220 В) переключается специальным  сетевым переключателем.

Повышающая обмотка трансформатора питания выполняется со средним  выводом при использовании двухполупериодного выпрямителя на двух диодах и без среднего вывода для мостовой схемы выпрямителя.

 Общее устройство и назначение трансформаторов для бытовой радиоэлектронной аппаратуры.

Общее устройство трансформатора видно  из представленного рисунка –  это магнитопровод, набранный из отдельных пластин; обмотки, выполненные проводом; каркас из изоляционного материала, на котором намотаны обмотки.

Магнитопровод

Обмотки трансформатора

Каркас обмоток

Трансформатор, входящий в состав выпрямителя и предназначенный  для питания лампового радиоприёмника, имеет следующие обмотки:

• первичную, включаемую в сеть;
• вторичную повышающую, дающую выпрямляемое напряжение;
• вторичную понижающую, дающую напряжение для накала кенотрона;
• вторичную понижающую, дающую напряжение для накала усилительных ламп радиоприёмника.

Иногда между первичной  и вторичной обмотками помещается ещё экранная обмотка, предназначенная для защиты приемника от проникновения в него из сети всевозможных помех. Один конец этой обмотки заземляется, а другой изолирован и никуда не включается.

Первичная обмотка  делается из нескольких секций, позволяющих включать трансформатор в сеть с различным напряжением.

Напряжение сети нередко  колеблется под влиянием изменения  нагрузки. Днем оно бывает нормальным, например 220 В, а вечером падает до 180-190 В, ночью и ранним утром повышается до 230-240 В. В таких случаях первичную обмотку иногда разбивают на ещё более мелкие секции (делают отводы, рассчитанные на напряжение 90, 100, 110, 120, 130, 180, 200, 220 и 240 В).  Такая секционированная первичная обмотка позволяет подключать к сети количество витков, соответствующее фактическому напряжению, и таким образом обеспечивает нормальные напряжения для работы приемника. 

Если от сети с колеблющимся напряжением питается радиоприемник  или какое-либо другое радиоустройство, трансформатор которого не имеет  подобных мелкосекционированных обмоток, приходится прибегать к помощи автотрансформатора. Последний специально изготовляется с большим числом отводов, переключая которые можно регулировать напряжение, подводимое к приемнику.

   Вторичная повышающая обмотка силового трансформатора при однополупериодном выпрямлении состоит из одной секции без всяких отводов, а при двухполупериодном выпрямлении она рассчитывается на вдвое большее напряжение и имеет отвод от средней точки.

На качество изготовления вторичной обмотки должно быть обращено особое внимание, так как в ней  получаются высокие напряжения. Для  получения хорошего сглаженного  тока при двухполупериодном выпрямлении обе половины повышающей обмотки должны быть совершено одинаковы. Поэтому их лучше наматывать не одну поверх другой, а располагать в соседних секциях каркаса.

Накальные обмотки трансформаторов наматываются из относительно толстого провода (1-2 мм).  Обмотка накала кенотрона в схеме выпрямителя соединена с плюсом высокого напряжения, поэтому она должна быть особенно тщательно изолирована от сердечника трансформатора, других его обмоток и экрана.

Все обмотки трансформатора для лучшего использования его  объема и для предохранения от пробоя изоляции проводов следует наматывать аккуратно, виток к витку. Слои обмоток  нужно отделить один от другого тонкой пропарафинированной бумагой, а между обмотками прокладывать слой изолировочной ленты, тонкого электрокартона или два-три слоя лакоткани (специально изоляционной ткани, пропитанной лаком).

Чтобы крайние витки сползали в щель между щечкой каркаса и  краем обмотки и верхние витки  не касались нижних, находящихся под  большим напряжением один относительно другого, прокладки следует делать на 6-8 мм шире длины каркаса, а края этой прокладки надрезаны и загнуты.

Каркас для намотки трансформатора обычно изготовляется из специального электрокартона или обычного плотного картона. Размеры каркаса определяются размерами стального сердечника трансформатора.

Сердечник  трансформатора для уменьшения в нем вихревых токов изготовляется из тонких листов (0,35-0,5 мм)  специальное трансформаторной стали. Каждая пластина трансформатора с одной стороны оклеивается тонкой папиросной бумагой или покрывается слоем изолирующего лака. Используемые в настоящее время трансформаторные пластины чаще всего имеют Ш-образную форму. Применяются также пластины Г-образной формы.

Ш - образная

Г- образная

После намотки трансформатора каркас должен быть возможно плотнее заполнен трансформаторной сталью. Набивать силовой трансформатор надо вперекрышку: на то место, где был стык пластин, следующие пластины класть сплошной частью. Все пластины кладутся изолированной поверхностью  в одну сторону.

Пластины трансформатора должны быть туго стянуты болтами, проходящими  через специальные отверстия. Если пластины не имеют отверстий, они  стягиваются при помощи стальных обжимок или деревянных брусочков.

Расчетная часть.

Исходными параметрами расчета  являются:

а)напряжение питающей сети переменного тока U₁₌ 220 В; 
частота тока сети f_c=50 Гц;

б)напряжения  на  вторичных   обмотках   U₂=15 В;

В; токи вторичных обмоток  I₂=0,5 А;

в) максимальная    температура    окружающей    среды Токр тах=40 °С; максимально допустимая температура нагрева трансформатора Т_{Т max}=70 °С.

Порядок расчета трансформатора.

1. Определение габаритной (потребляемой нагрузкой) мощности Р_г, ВА:

в общем случае и для  однофазного мостового   выпрямителя                                   Р_r=U₂I₂+U₃I₃+...+ U_N I_N. 

Р_г = 15*0,5 = 7,5 Ватт.

выбираем сталь 1513, магнитопровод из пластин толщиной 0,5 мм, у которого k_с=0,93, а также находим параметры, соответствующие P_г =7,5 Ватт, а именно: B=1,1 Тл; I=4,8 А/мм²; k₀ = 0,22;   η = 0,85.

2. Ток I₁ в соответствии и с учетом, что cos φ₁ = 0,9,

              I₁ = 7,5/220 * 0,85*0,9  = 0,026А

3. Исходная расчетная  величина S_c S₀  
                 S_c S₀=7,5*10²/l,ll (1+1/0, 85)*50*1, 1*4, 8* 0 ,22*0, 93= 15 см².

По приложению 1 согласно полученному S_CS₀ выбираем броневой магнитопровод из пластин ШЛ16Х20, у которого S_CS₀=20,5>15 см¹, со следующими параметрами: a = 16 мм, с=16 мм, h=40 мм, b=20 мм, Sс=2,91см².

4. Число витков в обмотках    трансформаторов   

              W₁ = 220(1 - 0, 01)*10⁴/4, 44*50*1,1*2,91 = 2786 витков;

              W₂ = 15(1 + 0, 15)* 10⁴/4, 44*50* 1 ,1 *2,91 = 179 витков;

5. Сечение проводов обмоток

             q_пр1= 0,026/4,8 = 0,005 мм²;      q_пр2 = 0,5/4,8 = 0,1 мм²;

По найденным сечениям проводов из приложения 2 (для провода  марки ПЭВ-1) находим соответствующие  диаметры проводов обмоток с изоляцией. Таким образом, d₁ = 0,320 мм; d₂=0,440 мм;

6. Определяется возможность размещения обмоток в окне выбранного магнитопровода, для чего производятся расчеты

Обмотка W₁

число витков в одном слое обмотки

             W₁₁ =0,9 (50 -2*2)/0,320 = 101;

число слоев обмотки

              m₁=2786 /101 = 28.    

толщина всей обмотки δ₁ с учетом, что γ₁= 0,

            δ₁= 28*0,320 = 8,96 мм.

Обмотка W₂:

число витков в одном слое обмотки

                 W₁₂ = 0,9(50 — 2*2)/0,440 =73;

число слоев обмотки

             т₂ = 179/73= 2,4.    Примем m₂ =3;

толщина всей обмотки δ₂ с учетом, что γ₂=0,

               δ₂ = 3*0,440= 1,32 мм.

Необходимая ширина окна определяется в соответствии и с учетом, что k=1,25; ε₂=1,5; δ₁₂= δ₂₃ =0,75; ε₃=0,75; ε₄=3.

          С_необх = 1.25 (1,5 + 8,96+0,75 + 1,32 + 0,75) + 3= 15,6 мм.

Таким образом С_необх  не превышает ширину окна выбранного магнитопровода, которая равна 16 мм (см. выше), следовательно, обмотки трансформатора разместятся в окне данного магнитопровода.

 Описание конструкции изделия.

Данный трансформатор имеет броневой магнитопровод из пластин ШЛ16Х20, провода обмоток с изоляцией (марки ПЭВ-1) сталь 1513, магнитопровод из пластин толщиной 0,5 мм

Технологическая часть.

Организация рабочего места и охрана труда.

 
Инструмент следует располагать  с правой стороны, кроме пинцета, располагаемого слева от монтируемого прибора. Пинцетом при пайке поддерживаются припаиваемый провод. Если приходится производить одновременно монтаж и  частичную сборку прибора, к монтажному инструменту прибавляется сборочный (торцовые ключи, отвертки, ручная дрель, сверла и др.). 
Нельзя допускать перемешивания монтажных деталей, винтов и гаек с инструментом. Это создает беспорядок на рабочем месте, понижает производительность труда. 
Для того чтобы на рабочем месте был должный порядок, необходимо перед началом работы приготовить нужный инструмент, а монтажные детали разложить но отдельным коробкам. 
Хорошо иметь специальный невысокий удлиненный шкафчик с ящиками, разделенными на более мелкие отделения для деталей различного назначения. Такой ящик называют «кассой», так как он напоминает типографскую кассу. Можно иметь более простые настольные «кассы». 
Удобно размещать сопротивления и конденсаторы на прессшпановых или картонных полосках длиной 150—200 мм. Ширина полоски берется по длине одноваттного сопротивления типа ВС-1,0. На полосках этой ширины располагаются сопротивления мощностью до 1 вт и конденсаторы до размера КСО-5, причем эти детали располагают маркировкой вверх, чтобы они огибали полоску своими выводами . 
Можно размещать их и в вертикальном положении, как показано на рис. 4. 
Для этого можно использовать небольшую картонную коробку. В крышке коробки прокалываются отверстия по диаметру или шире вывода сопротивления. После этого коробочку наполняют сухим мелким песком для обеспечения устойчивости вставленных сопротивлений. Таким же способом можно размещать конденсаторы КСО. 
Кроме деталей и проводов, радиолюбители пользуются вспомогательными материалами, к которым относятся: растворитель для промывки паек (бутилацетат), эмалевые краски, различные клеи: целлулоидный, марки БФ и др. 
 
Их следует хранить в стеклянных пузырьках с широкими горлышками, закрываемыми резиновыми пробками. Огнеопасные материалы помещают в металлическую коробку. Рекомендуется иметь мягкую подстилку — фланелевую или суконную, которую подкладывать под монтируемый прибор. 
После работы рабочее место надо убрать. При этом монтажный материал и инструмент раскладывают по местам в ящиках стола. Для каждой группы инструмента: измерительного, монтажного, слесарного, лучше всего иметь свой ящик. Наилучшим способом хранения инструмента в ящиках стола является укладка каждого инструмента в изготовленные для него гнезда наподобие готовальни. 
Сопротивления, конденсаторы и крепежные материалы, не замонтированные в прибор, укладываются в соответствующие отделения «кассы». 
Подставку следует вынуть из-под монтируемого прибора, встряхнуть и накрыть ею прибор. 
В случае необходимости нужно очистить и закрывать паяльник. Кстати говоря, паяльник следует держать на специальной подставке с коробочкой (рис. 5), разделенной на две части: для канифоли и припоя. Когда происходит уборка рабочего места, надо заменить канифоль, если она загрязнилась, выбросив бумагу или прессшпан вместе с канифолью.

 
Уборка своего рабочего места, занимая  несколько минут, восстановит порядок  в комнате радиолюбителя, избавит  его от затраты времени при  возвращении к монтажной работе в следующий раз и приучит  к организованности. 
 
В заключение следует отметить, что стол радиолюбителя должен быть хорошо освещен дневным светом и поэтому лучше всего поставить его у окна. При искусственном освещении рабочего места следует применять лампочку не более 40—50 вт. Расположение источника света и осветительной арматуры надо выбрать так, чтобы глаза были полностью защищены от непосредственного воздействия лампочки. Блескость (ослепляющее действие на глаза источника света) вызывает утомление глаз и затрудняет работу.

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ ТЕХНИКИ  БЕЗОПАСНОСТИ

При выполнении монтажных, намоточных, слесарных и столярных работ  радиолюбителю конструктору приходится иметь дело и с высоким напряжением, и с раскаленными предметами, и  с острыми и быстро вращающимися инструментами или звеньями механизмов, и с агрессивными химическими  веществами.

Для предохранения от поражения  высоким напряжением запрещается  выполнять электромонтажные работы в работающей радиоаппаратуре (особенно ламповой и с высоковольтными  транзисторами и тиристорами). Снятие статического заряда (особенно опасного для полевых транзисторов и многих микросхем) обеспечивается применением  заземляющего браслета. Можно использовать обычный металлический часовой  браслет, соединенный с проводом заземления через резистор сопротивлением 1 МОм.

Необходима аккуратность и осторожность при работе с горячим  паяльником, слесарными и столярными инструментами, клеями, лаками, кислотами  и щелочами.

При работе с электрическим  паяльником надо соблюдать следующие  правила.

1. Периодически проверять  омметром отсутствие замыкания  между корпусом паяльника и  нагревательным элементом. Такое  замыкание может стать причиной поражения током и порчи припаиваемых элементов Поэтому рекомендуется работать с паяльником, жало которого заземлено

2. Использовать устойчивую  подставку для паяльника, что  предохранит ®го от падения, работающего от ожогов, рабочее место от прожогов.

3. Ни в коем случае  не выполнять пайку в работающем (особенно высоковольтном) устройстве, так как случайное замыкание  может вывести устройство из  строя и быть причиной травмы.

При работе со слесарными инструментами  надо быть внимательным и аккуратным, чтобы не пораниться резаком, напильником, лобзиком, сверлом или обрабатываемой деталью. Для этого необходимо:

1. Надежно зажимать сверло  в патроне дрели специальным  ключом.

2. Просверливаемую деталь  надежно закреплять, иначе она  в конце сверления может начать  вращаться вместе со сверлом,  либо (при работе вдвоем) помощнику  прочно удерживать деталь Особенно  осторожным и внимательным нужно  быть при сверлении тонколистовых  материалов.

3. Вырубание фасонных  отверстий надо выполнять обязательно  на массивной металлической подставке.

4. При работе с резаками  обязательно подкладывать под  разрезаемый лист фанерную прокладку,  чтобы не повредить стол

При работе с химическими  веществами следует строго соблюдать  все рекомендации по растворению, смешиванию, последовательности выполнения операций и температурному режиму. Работать необходимо в халате, а в отдельных  случаях — в перчатках и  защитных очках. Прежде всего необходимо оберегать глаза, губы и слизистые  оболочки носа и горла, которые наиболее чувствительны к воздействию  химических веществ На рабочем месте в аптечке надо иметь чистую вату и марлю (можно бинт), 5%-ный раствор соды, вазелин, 2%-ный раствор уксусной, лимонной или борной кислоты, настойку йода и лейкопластырь (желательно бактерицидный).

На участке тела, обожженном паяльником или брызгами припоя, надо сделать содовую примочку, а потом  пораженное место смазать вазелином. Места ожогов кислотами обильно  обмыть водой и смочить содовым  раствором. Место ожога щелочами нужно обильно обмыть раствором  уксусной (лимонной или борной) кислоты. При порезах и царапинах ранку  залить раствором йода и заклеить лейкопластырем.

Если вы подверглись кратковременному удару током, необходимо прекратить работу до восстановления нормального  состояния (прекращения головокружения, исчезновения зрительных и слуховых галлюцинаций и т. п.). При сильном  поражении током пострадавший, кап  правило, не в состоянии оторваться от токоведущего провода. В этом случае надо возможно быстрее, строго соблюдая при этом правила личной безопасности, выключить ток, сделать пострадавшему  искусственное дыхание, расстегнуть  одежду, поднести к носу кусочек  ваты, смоченной нашатырным спиртом, или спрыснуть лицо холодной водой  и немедленно вызвать врача.

Возможные неисправности, их причины, методы обнаружения и  устранения.

Какие поломки  возможны: обрыв обмотки, замыкание  витков. Если есть обрыв на вторичной  обмотке не будет напряжения. Проверяется Омметром (тестером в режиме до 1кОм), первичная десятки – сотни Ом (зависит от толщины провода), вторичная от долей Ома до десятка Ом.  В импортных трансформаторах часто ставят тепловой предохранитель, он примотан поверх первичной обмотки.

Перегорание его частый дефект. Нужно аккуратно  срезать слои липкой ленты на обмотке  пока не обнаружите пластмассовый квадратик. Нужно выводы его замкнуть тонкой проволокой и заизолировать. Дальше проверить исправность трансформатора, если всё «путём» желательно поставить внешний предохранитель.

Межвитковое замыкание, обычно ведёт к перегоранию  предохранителя, а если его нет, обмотка  обгорает или оплавится изоляция.  Тут только замена.

За трансформатором  стоит выпрямитель, распространены два типа двухполупериодных выпрямителей: на двух диодах и четырёх (мостовой).

Возможные не исправности: пробой диодов, обрыв диодов.

 Пробой  в низковольтных цепях обычно  происходит из-за замыкания нагрузки, через диоды течёт очень большой  ток и кристаллы диода плавятся. Пробитые Омметром звонятся как 0 Ом (короткое замыкание).

 Обрыв  возможен тоже от броска тока  или из-за брака изготовителя. Звонится в обоих направлениях от кОм до бесконечности.

Диод звонится тестером в режиме проверки диода, красный  провод на анод (+), чёрный на катод (-). Тестер показывает прямое падение напряжения на переходе в милливольтах. Для кремниевых (самых распространённых) это 500-900, для германиевых и диодов Шоттки 100 – 400 мВ. В обратном направлении от 1Мом до бесконечности.

Конденсатор тоже может быть пробит или оборван, а так же может высохнуть, т.к. используются электролитические конденсаторы содержашие электролит. При потере герметичности электролит испаряется, и конденсатор теряет ёмкость.

 При  потере ёмкости и обрыве конденсатор  перестаёт сглаживать напряжение, и напряжение становится пульсирующим. Тестером это видно как значительное  понижение напряжения. Можно проверить  припайкой исправного конденсатора  параллельно проверяемому (+ к +).

 Пробой  ведёт к перегоранию предохранителя, порче диодов.

 Вытекший  электролит может стать причиной  замыканий в схеме и окислении  проводов.

Послеремонтная  регулировка и контроль параметров.

После сборки трансформатора, нужно  проверить что бы напряжение соответствовало рассчитанному, и не было межвитковых замыканий.

Проверить напряжение на выпрямителе  что бы выдавал соответствующие параметры, а емкость сглаживала напряжение или убирала помехи. Все это можно проверить тестером.

Заключение

В данной работе был произведен расчет силового трансформатора малой мощности. В  результате был получен результат, который показал, что обмотка  трансформатора нормально укладывается в окне магнитопровода, следовательно, расчет трансформатора можно считать завершенным, что свидетельствует о том, что поставленные задачи были достигнуты.

Литература

1. Белопольский И.И. – Расчет трансформаторов и дросселей малой мощности.
2. Бальян Р.Х. – Трансформаторы для радиоэлектроники.

3. Р. Г.ВАРЛАМОВ «МАСТЕРСКАЯ РАДИОЛЮБИТЕЛЯ» © Издательство «Радио и связь», 1983.

4. Справочник по расчету вторичных источников питания

Графическая часть.

Принципиальная схема.