Силовые трансформаторы, простой расчет
В статье на конкретном примере приводится простой метод расчета силового трансформатора для блока питания или зарядного устройства.
Например, нужно рассчитать силовой трансформатор для зарядного устройства, которым будем заряжать автомобильные аккумуляторы емкостью до 60 А/час.
Как известно, ток заряда равен 0,1 от емкости аккумулятора, в нашем случае это 6 Ампер.
Напряжение для заряда аккумулятора должно быть не менее 15 В, плюс падение напряжения на диодах и токоограничивающем резисторе, примем его около 5 В.
Итого, напряжение вторичной обмотки должно быть около 20 В, при токе до 6 А. Мощность при этом, будет равна Р = 6 А х 20 В = 120 Вт.
К.п.д. силового трансформатора при мощности до 60 Вт составляет 0,75. При мощности до 150 Вт 0,8 и при больших мощностях 0,85.
В нашем случае принимаем к.п.д. равным 0,8.
При мощности вторичной обмотки 120 Вт, с учетом к.п.д. мощность первичной обмотки равна:
120 Вт : 0,8 = 150 Вт.
Коэффициент перед корнем квадратным из мощности зависит от качества электротехнической стали сердечника.
Коэффициент от 50 до 70 зависит от качества стали. Возьмем среднее значение 60. Получаем количество витков на вольт равным:
Округлим это значение до 4,5 витка на вольт.
Первичная обмотка будет работать от 220 В. Ее количество витков равно 220 х 4,5 = 990 витков.
Вторичная обмотка должна выдавать 20 В. Ее количество витков равно 20 х 4,5 = 90 витков.
Для этого нужно знать ток каждой обмотки. Для вторичной обмотки ток нам известен, его величина 6 А.
Ток первичной обмотки определим, как мощность, деленную на напряжение. (Сдвиг фаз для упрощения расчета учитывать не будем).
I1 = 150 Вт / 220 В = 0,7 А
Диаметр провода определяем по формуле:
Коэффициент перед корнем квадратным влияет на плотность тока в проводе. Чем больше его значение, тем меньше будет греться провод при работе. Примем среднее значение.
Для меди плотность тока до 3,2 А/мм кв, для алюминиевых проводов до 2А/мм кв.
Диаметр провода первичной обмотки:
D1 = 0,75 √0,7 = 0,63 мм
Диаметр провода вторичной обмотки:
Если вторичных обмоток несколько, сумма их мощностей не должна превышать величину, равную мощности первичной обмотки, умноженной на к.п.д. Количество витков на вольт одинаково для всех обмоток конкретного трансформатора. Если известно количество витков на вольт, можно намотать обмотку на любое напряжение, главное, чтобы она влезла в окно магнитопровода. Диаметр провода каждой обмотки определяется исходя из величины тока этой обмотки.
Овладев этой простой методикой, вы сможете не только изготовить нужный вам силовой трансформатор, но и подобрать уже готовый.
Материал статьи продублирован на видео:
Основные критерии выбора, какой трансформатор нужен для пускового устройства АКБ
Если автомобиль все время в эксплуатации, то его аккумулятор заряжен. Но при длительном простое из-за саморазряда напряжение на АКБ падает ниже уровня необходимого для запуска.
Еще одной причиной пониженного тока аккумулятора является мороз. В холодном аккумуляторе повышенное сопротивление электролита и замедленные химические реакции, в результате которых батарея вырабатывает электрическое напряжение. Кроме того, холодный двигатель стартеру труднее провернуть из-за загустевшей смазки.
В этих ситуациях необходимо подать на стартер дополнительное питание. Чтобы сделать такой аппарат самостоятельно необходимо знать, какой трансформатор нужен для пускового устройства АКБ.
Пусковые и зарядные устройства
Для запуска автомобиля и зарядки АКБ используются различные приспособления:
Выходные параметры пускового устройства
Ток, потребляемый стартером легкового автомобиля во время вращения коленвала, зависит от марки машины и составляет 80-100А при напряжении 12В. Однако для того, чтобы привести его в движение, стартер кратковременно потребляет ток до 200А. Поэтому в ремонтных мастерских используются для запуска двигателей легковых автомобилей устройства мощностью Р=12Вх200А=2400Вт. Необходимые параметры для пуска грузовых машин зависят от конкретной модели автомобиля.
В домашних условиях аппарат подключается параллельно АКБ. Мощность его достаточно выбрать 1500 Вт при токе 125А и определяется тем, какую мощность имеет трансформатор пуско-зарядного устройства. Схема намотки может быть простой или со средней точкой.
Информация! Некоторые магазинные аппараты имеют мощность всего 700Вт и ток 60А.
Устройство пусковой установки
Пусковая аппаратура состоит из трех частей:
Совет! Для подключения аппарата к АКБ допускается применение проводов «прикуривателя».
Изготовление понижающего трансформатора
Самой сложной в изготовлении частью этого аппарата является трансформатор для пуско-зарядного устройства. Наибольшее распространение получили самодельные схемы пуско-зарядных на трансформаторе 1500 ватт.
Конструкция трансформатора
В качестве него используется любой трансформатор с сечением магнитопровода не менее 36мм². Этого достаточно для мощности аппарата в 1,5 кВт.
Первичная обмотка трансформатора для пускового устройства используется готовая, если она рассчитана на напряжение 220 В или мотается заново, медным проводом сечением 1,5-2мм². При ее отсутствии необходимое число витков определяется по таблицам или при помощи онлайн-калькуляторов.
Вторичная обмотка удаляется и мотается заново нужная, медной шиной. Ее сечение зависит от используемой схемы выпрямления:
При выборе алюминиевых намоточных проводов их сечение увеличивается вдвое.
Важно! Если взять магнитопровод большего сечения, то это увеличит мощность аппарата, но приведет к пропорциональному увеличению сечения обмоточных проводов и уменьшению количества витков в катушках.
Расчет вторичной обмотки
Для намотки вторичной обмотки пускового трансформатора для автомобиля своими руками необходимо определить количество витков. Оно зависит от числа витков в первичной обмотке Nперв. Если оно известно, то необходимое количество определяется по формуле Nвтор=(Nперв/220)*12. При неизвестных параметрах число витков определяется опытным путем:
Совет! Для упрощения работы можно намотать несколько лишних витков, а после сборки аппарата и измерения выходного напряжения их отмотать.
Схема с двумя диодами
Классическая схема выпрямления однофазного напряжения состоит из четырех диодов. Но в некоторых случаях при отсутствии нужного количества диодов или провода необходимого сечения применяют схему, в которой два диода:
Эта схема применима также при наличии двух одинаковых аппаратов 220/12 мощностью от 700Вт. Такое пусковое зарядное из двух трансформаторов в работе не отличается от обычного аппарата.
Пусковой аппарат из сварочного
Трансформатор для пуско-зарядного устройства своими руками можно сделать также из катушечного сварочника — определить необходимое число витков и намотать дополнительную катушку. Диоды допускается использовать уже установленные, но для пуска автомобиля они переключаются на пусковую обмотку перемычками или перекидным рубильником.
Диоды и соединительные кабеля
Кроме трансформатора, в устройстве используются диоды, выпрямляющие переменное напряжение, и кабеля, по которым к аппарату поступает переменное напряжение 220В и к автомобилю постоянное 12В.
Устройство выпрямителя
В выпрямителе используются диоды с номинальным напряжением от 25В. Это связано с тем, что 12В — это действующее значение напряжения на клеммах вторичной обмотки. Максимальное значение в √3 выше и составляет больше 20В.
Номинальный ток диодов нужен не меньше, чем 1/2 тока устройства. Это связано с тем, что через каждый из диодов проходит только одна полуволна переменного напряжения, а вторая идет через другой диод. В пусковых агрегатах мощностью 1500 Ватт ток диодов составляет от 60А. Таких не существует, поэтому берутся более мощные элементы 100А. Для лучшего охлаждения они устанавливаются на радиаторах.
Информация! Некоторые автомобилисты для лучшего охлаждения устанавливают аппарат без корпуса. При его наличии делается перфорация для циркуляции воздуха.
Соединительные кабеля
Питание 220В подается по трехжильному кабелю, например, ПВС 3*1. Ток при запуске составляет 7-10А, поэтому этого сечения провода достаточно, третья жила необходима для заземления металлических частей. Подключать его допускается при помощи обычной вилки и розетки.
Питание к машине подается двумя проводами или двухжильным кабелем с клеммами ПВС 2*16. При использовании проводов от «прикуривателя» на корпусе аппарата устанавливаются клеммы от старого аккумулятора.
Знание того, как сделать пусковое для машины из трансформатора избавит от необходимости приобретать дорогое магазинное устройство.
Электрические схемы для самодельных зарядных устройств
Принцип работы и основные компоненты
Свинцово-кислотные аккумуляторы заряжают постоянным (выпрямленным) напряжением, стабильным по уровню. Чтобы получить ток, втекающий в батарею, зарядное напряжение должно быть выше напряжения АКБ. Ток заряда в таком режиме зависит от разницы напряжений источника и батареи.
Стандартная схема построения зарядника содержит:
Очень желательны приборы, индицирующие ток и напряжение. Дополнительно ЗУ может оснащаться:
Эти функции являются сервисными и повышают удобство работы с ЗУ.
Принципиальные схемы зарядных устройств
Зарядное устройство для автомобильной батареи можно выполнить на разной элементной базе. Все зависит от наличия комплектующих и квалификации мастера.
Простое зарядное устройство для АКБ автомобиля на 12В
Для регулирования тока и напряжения можно применить обычный потенциометр. Вращением его движка можно подстраивать ток в зарядной цепи.
На практике такая схема не используется по двум причинам:
Зато по этой схеме легко понять принцип работы простых зарядников.
На практике реализуется другая схема зарядного устройства для сборки своими руками. Здесь потенциометр включен в цепь базы транзистора, и ток через него небольшой. Зарядный же ток идет через коллектор-эмиттер транзистора, а полупроводниковый элемент подобной мощности найти гораздо проще. Но в этом и состоит главный недостаток схемы. Сквозной ток идет через регулирующий элемент, вся излишняя мощность рассеивается на нем. Потребуется радиатор значительной площади.
Для нормальной работы такого зарядника на него надо подавать повышенное напряжение – не менее 18 вольт, чтобы обеспечить запас по регулировке. В соответствии с этим требованием надо выбирать сетевой трансформатор.
Зарядное на тиристоре ку202н
Популярна схема самодельного зарядного устройства, где аккумулятор заряжается выпрямленным напряжением, а ток регулируется вручную посредством тиристора (подходит отечественный КУ202Н или зарубежные аналоги).
Сетевое напряжение понижается трансформатором Т1 и выпрямляется мостом VD1..VD4. На однопереходном транзисторе VT2 собран генератор импульсов. Его частота задается цепью из конденсатора C1 и управляемого резистора на VT1. Его сопротивление регулирует потенциометр R5. В начале каждого полупериода генератор запускается через цепь R1VD1, и начинает выдавать импульсы с заданной частотой. Первый импульс открывает тиристор, остальные (следующие до конца полупериода) не имеют значения. Чем раньше открывается ключ на VS1, тем большая часть синусоиды попадает в нагрузку, тем выше усредненное напряжение на аккумуляторе и средний ток, втекающий в него.
Амперметр служит для контроля этого тока. Недостаток схемы в том, что напряжение не стабилизировано, и будет изменяться вслед за изменением напряжения сети 220 вольт (оно может меняться в пределах ±5%). Вслед за напряжением будет меняться ток заряда, потому процесс требует периодического контроля и, при необходимости, подстройки. Кроме того, напряжение на АКБ не измерить обычным вольтметром или мультиметром – они рассчитаны на измерение постоянного напряжения, а зарядник выдает резко отличающуюся от постоянки форму. Погрешность будет очень высокой, поэтому для контроля придется отключать аккумулятор и замерять его напряжение.
Фильтрующие конденсаторы после выпрямителя устанавливать нельзя – схема работает только с выпрямленным, но не с постоянным напряжением на входе.
Если однопереходного транзистора нет, схему можно собрать без него. Она немного усложнится. Но вместо регулируемого сопротивления на транзисторе для задания частоты генерации возможно применить обычный потенциометр.
Существуют различные варианты данной схемы. Например, регулируемое устройство на симисторе. Здесь силовым ключом служит мощный симистор, а тиристор задействован в схеме формирования открывающих импульсов.
Видео версия: Зарядное с десульфатацией на одном тиристоре.
ЗУ для автомобильного аккумулятора на tl494
Зарядник можно построить на микросхеме TL494. Эта микросхема используется не совсем стандартно – обычно на ней строят полностью импульсные источники питания с выпрямлением сетевого напряжения и «нарезанием» из полученной постоянки высокочастотных импульсов (как в компьютерных БП). Здесь же присутствует и сетевой трансформатор, и выпрямитель вторичного напряжения. Импульсным является только регулируемый стабилизатор. Его достоинство в том, что регулирующий элемент (транзистор) открывается на определенные промежутки времени, через него не течет сквозной ток (равный току нагрузки), поэтому размеры теплоотвода можно значительно уменьшить.
Ток заряда регулируется разницей напряжений между АКБ и выходом ЗУ, но микросхема TL494 позволяет выполнить дополнительное ограничение тока. Для этого используется второй усилитель ошибки. Ток ограничителя устанавливается потенциометром R3, а фактический ток замеряется, как падение напряжения на шунте R11. Если ток выше заданного, длительность импульсов уменьшается, напряжение на выходе снижается до достижения необходимого тока. Такой режим полезен при зарядке сильно разряженных батарей, а также позволяет осуществить режим зарядки стабилизированным током. В совокупности с широким диапазоном регулировки напряжения, возможность ограничения тока делает ЗУ универсальным и позволяет заряжать аккумуляторы, сделанные по различным технологиям. Также ограничитель осуществляет защиту силовых элементов от сверхтока.
Номиналы деталей указаны на схеме. Дроссель лучше изготовить на сердечнике из альсифера.
Сердечник обязательно должен иметь воздушный зазор 0,15..1 мм.
При настройке подбирают число витков так, чтобы свист обмотки наблюдался только при среднем токе нагрузки, а при его увеличении исчезал. Если свист исчезает рано (уже при небольших токах) и выходной транзистор греется, количество витков надо увеличить. Ориентироваться надо на 20..100 витков провода диаметром 2 мм. Также при сборке в электросхему надо добавить вольтметр и амперметр (можно цифровой или стрелочный) – пользоваться будет намного удобнее. Напряжение на выходе сглаживается конденсатором C6, его форма близка к постоянному.
Схема с автоматическим отключением
Удобно, чтобы батарея отключалась по окончании процесса пополнения энергии. Один из вариантов схемы такой автоматики приведен на рисунке.
Принцип действия основан на контроле напряжения заряжаемой батареи. Как только оно достигнет номинального уровня (он подстраивается потенциометром), транзистор откроется, сработает реле и отключит напряжение с АКБ. При этом загорится светодиод, сигнализирующий об окончании зарядки. Реле можно применить любое с напряжением срабатывания 12 вольт и током контактов не менее 15 ADC.
Достоинство схемы в том, что ее можно собрать на отдельной плате и использовать совместно с любым готовым зарядником. Недостатком является необходимость измерять напряжение непосредственно на клемме аккумулятора, поэтому цепь измерения (выделена красной линией) надо выполнять отдельным проводом с зажимом и подключать непосредственно к плюсовому выводу АКБ.
От этого недостатка свободны схемы с контролем зарядного тока, отключающие ЗУ при снижении тока ниже установленного предела. Для измерения тока в заряднике должно быть установлено измерительное сопротивление (шунт).
Схема мощного ЗУ с регулировкой тока
Заслуживает внимания еще одна схема ЗУ, обеспечивающая ток не менее 10 А. Ее особенности:
Принцип регулирования – фазоимпульсный, ключом служит симистор VS1. Ток устанавливается потенциометром R1 и регулируется от нуля до 10 А. Первичная обмотка трансформатора должна иметь достаточную индуктивность. Для его изготовления можно применить ЛАТР-2. Его обмотка будет служить первичкой. Сверху надо обустроить изоляцию (достаточно 3 слоя лакоткани), а поверх намотать вторичную обмотку проводом сечением 3 кв.мм 40+40 витков. Резистор R6 служит нагрузкой выпрямителя и создает импульсы разряда батареи. Считается, что такой режим продлевает период эксплуатации АКБ. Вместо него можно установить автомобильную лампу накаливания на 12 вольт мощностью 10 ватт.
Технология сборки
Большинство электронных компонентов лучше собрать на печатной плате. В домашних условиях плату можно изготовить методом ЛУТ или фотоспособом. Разработать рисунок можно в бесплатных программах, например LayOut или условно-бесплатной Eagle. А можно нарисовать дедовским способом на бумаге и нанести рисунок лаком на поверхность фольги. Плата травится в растворе хлорного железа или в следующем составе:
Силовые элементы монтируются на радиаторы достаточной площади. Устанавливать их надо на теплопроводящую пасту. Если теплоотводящая поверхность элемента не соединена с общим выводом, на теплоотвод деталь крепят через изолирующую прокладку – слюдяную или из упругого материала. Радиатором может служить металлическая стенка корпуса. Также можно сделать теплоотвод частью конструкции. Можно организовать обдув радиаторов – тогда их площадь можно значительно уменьшить. Для этого понадобится вентилятор на 12 вольт, который можно подключить к выходу диодного моста.
Корпус подбирается готовым или изготавливается самостоятельно. На передней панели крепятся:
Для подключения проводов, отходящих к аккумулятору, клеммы и разъемы лучше не использовать. Токи через них идут большие, поэтому потенциальный источник дополнительного переходного сопротивления нежелателен. Провода лучше подпаять к плате и вывести через отверстия в передней панели. Сечение проводников должно достаточным – не менее 2 кв.мм, а лучше 4 кв.мм. С другой стороны проводов надо припаять зажимы «крокодил».
Это не полный обзор схем зарядок для автомобильного аккумулятора – их существует великое множество. По представленным конструкциям можно понять принципы построения ЗУ, требования к ним, разобраться в несложной схемотехнике. Отработав на практике сборку этих зарядных устройств, впоследствии можно перейти к более серьезным схемам, в том числе с использованием микроконтроллеров.
Часто задаваемые вопросы
Трансформатор можно подобрать промышленного изготовления. Ориентироваться надо на выходное напряжение и ток. Первый параметр должен составлять 12-14 (или 18..24 в зависимости от схемотехники) вольт, второй – от 4 до 10 ампер. Характеристики нескольких подходящих трансформаторов приведены в таблице.
| Тип промышленного трансформатора | Выходное напряжение, В | Наибольший ток, А |
|---|---|---|
| ТТП-100 | 12 | 7,5 |
| ТТП-150 | 12 | 12 |
| ТН8-127/220-50 | 2х6,3 (обмотки соединяются последовательно) | 4,8 |
| ТН28-127/220-50 | 2х6,3 (обмотки соединяются последовательно) | 4,8 |
Если есть трансформатор подходящей габаритной мощности, но вторичная обмотка не подходит по току или напряжению, ее можно смотать и намотать новую. Габаритная мощность определяется по сечению железа по формуле P=0,8..0,88*S 2 */14000, где:
Площадь сечения для тороидального сердечника вычисляется как (D-d)*h/2 (см.рис), для других типов – a*b.
Площадь сечения для разных типов сердечников
Для тока 4..10 А габаритная мощность должна быть не менее, соответственно, 50..120 ВА. Если железо подходит, вторичная обмотка перематывается медным проводом. Его сечение выбирается по упрощенной формуле d=0,72√I, где:
Число витков выбирается по формуле N=(50/S)*V (где V – требуемое выходное напряжение в вольтах) или подбирается экспериментально. Также для расчета можно воспользоваться различными программами-калькуляторами, в том числе размещенными на веб-сервисах.
Трансформатор для зарядного устройства
Существует достаточно много старых ламповых телевизоров с исправными силовыми трансформаторами. Их с некоторой доработкой можно использовать в зарядных устройствах (ЗУ).
На сайте радиочипи рассмотрим пример расчета данного метода. Наибольший интерес для этой цели представляют телевизоры с размером экрана 61 см (59 см) черно-белого и цветного изображения, в которых применены трансформаторы типов: ТС-160, ТС-180, ТС-200, ТСА- 270 и т.п. Конструктивно они выполнены из двух стянутых болтовым соединением U-образных половинок опрессованной электротехнической стали.
Демонтаж трансформаторов следует вести аккуратно, чтобы не повредить первичные обмотки Подводимые к ним провода предварительно откусываются или отпаиваются. Болтовое соединение разбирается и снимается. Затем снимаются половинки сердечника. В случае затруднений при их разъединении из-за склеивания внутри, рекомендуется слегка постучать по их выступающим закруглениям. С каркаса (каждую в отдельности) сматывают вторичные обмотки до экрана, выполненного в виде незамкнутой полоски фольги или однорядной обмотки с одним отводом. Расчет диаметра провода вторичной обмотки для зарядного устройства производят по формуле:
Где I – номинальный ток обмотки, A; Nпр — количество параллельных проводов (при отсутствии одного провода расчетного диаметра); j — плотность тока, А/мм² (при мощности трансформатора 100…500ВА — 2,5…3,5А/мм²). Например, для трансформатора ТС-180 можно принять j=2,7 А/мм². Количество витков зависит от необходимого напряжения и отношения виток/В (w/U), определяемого типом трансформатора. Для аккумулятора на 12 В, в зависимости от схемы зарядки, напряжение обмотки составляет 16…18 В.
Отношение w/U можно определить экспериментально, намотав для этого на любом из каркасов катушек трансформатора, например, 10 витков провода произвольного диаметра. Затем трансформатор собирается, на первичную обмотку подается напряжение и измеряется напряжение на вспомогательной обмотке, которое делится на число витков. Число витков на вольт можно определить и подсчитав количество витков вторичной обмотки при ее разматывании (предварительно нужно измерить напряжение на ней у целого трансформатора).
В простых схемах зарядного устройства часто делают отводы от вторичной обмотки, чтобы легче регулировать зарядный ток. Их переключение производится с помощью галетного переключателя. Потребляемый вторичной обмоткой ток не должен превышать габаритной мощности трансформатора, т.е. для ТС-180 при напряжении 18В ток — не более 10А.
Диоды для выпрямителя по мостовой схеме выбирают исходя из допустимого тока, равного половине наибольшего зарядного. В качестве индикаторов режима зарядки используют амперметр и вольтметр. Можно обойтись и одним миллиамперметром, коммутируя его дополнительным переключателем (переключатель при этом должен выдерживать зарядный ток).
В качестве измерительных приборов можно применить индикаторы уровня записи от старых магнитофонов (типов М370, М476 и т.п.) с токами полного отклонения 200…250 мкА, снабдив их соответствующими шунтами. Вместо измерительных головок подойдут и светодиоды с подобранными балластными резисторами. Контроль режима осуществляется по яркости их свечения.
