Планарный трансформатор своими руками

Добавил пользователь Alex
Обновлено: 19.09.2024

Несмотря на многообразие электрооборудования на рынке, далеко не во всех ситуациях можно найти подходящий преобразовательный агрегат для решения конкретной задачи. Поэтому многие обыватели пытаются изготовить трансформатор своими руками для получения определенных параметров работы. Стоит отметить, что намотать трансформатор может каждый, даже без специализированного оборудования и особых навыков, но этот процесс довольно трудоемкий и кропотливый. Поэтому изначально вам придется определиться с типом и характеристиками прибора.

Что понадобится для сборки?

Все преобразователи подразделяются на две основные категории – повышающие и понижающие трансформаторы.

В зависимости от предназначения, конструктивных особенностей и места установки их можно разделить на такие категории:

Практически каждое из вышеперечисленных устройств вы можете воссоздать в домашних условиях. Наиболее простым вариантом является перемотка трансформатора из заводского изделия, так как он уже содержит необходимые элементы. Главное, чтобы первичная обмотка подходила по номиналу питающего напряжения и мощности. Куда хуже, если перематывать нужно обе обмотки, к примеру, если и первичная, и вторичная обмотка пробиты или получили механическое повреждение.

Для изготовления трансформатора своими руками вам понадобятся:

Магнитопровод – служит в качестве проводника магнитного потока, лучше взять из старого трансформатора, так как он изготовлен из электротехнической стали и обеспечивает необходимые параметры работы, характеризуется малыми потерями в железе.
Провода нужного вам сечения в лаковой, полимерной или стеклотканевой изоляции. Чем тоньше этот слой, тем плотнее прилягут витки к каркасу и друг к другу.
Каркас – служит в качестве основания для обмоток трансформатора, устанавливает габариты по ширине. Можно взять из старого трансформатора, а можно изготовить своими руками. Материалом для каркаса может послужить электротехнический картон, гетинакс или текстолит, важно чтобы он не занимал много места в зазоре между сердечником и проводом.
Изоляция – предназначена для электрического отделения токоведущих элементов друг от друга и от конструктивных элементов трансформатора. В промышленном производстве используется лакотканевая лента, фторопласт, парафиновая пропитка, но при самостоятельном изготовлении подойдет любой имеющийся у вас материал, главное, чтобы его диэлектрической прочности хватало для напряжения сети.
Намоточный станок – позволяет упростить процесс и обеспечить постоянное натяжение. Можно изготовить своими руками из ручной дрели или по принципу вертела на двух шарнирах. Важно, чтобы изготовленный станок имел как можно меньший люфт.

Помимо этого вам могут пригодиться: молоток с деревянной пресс-планкой, паяльник для соединения проводов, ножницы, пассатижи. Но перед изготовлением, обязательно рассчитайте параметры трансформатора.

Расчеты

Рис. 1: принципиальная схема трансформатора

Наиболее сложный вариант, если вы будете изготавливать трансформатор своими руками с нуля. В таком случае расчет электрической машины производится в зависимости от выходной мощности. Исходя из этого параметра, рассчитывается мощность первичной обмотки. Если вы используете заводской сердечник, то можно считать эти величины одинаковыми, если вы соберете его самостоятельно, то P₂ = 0,9 * P₁

Это приблизительный расчет с учетом потерь в сердечнике. В зависимости от качества шихтовки своими руками, разница мощностей может находиться в пределах от 5 до 20%.

В зависимости от мощности первички определяется сечение магнитопровода, которое вычисляется по формуле: S = √P₁

Следует отметить, что мощность для вычислений берется в Ваттах, а размеры сердечника получаем в квадратных сантиметрах.

Далее определяется коэффициент передачи электромагнитной энергии: k = f/S,

Где k – коэффициент передачи, f – частота сетевого напряжения переменного тока, S – площадь сечения магнитопровода.

Исходя из полученного коэффициента, определяется число витков в обмотках по величине входных и выходных напряжений: N1 = k*U₁, N2 = k*U₂

Это приблизительные вычисления, предназначенные для бытового применения радиолюбителями. Заводские трансформаторы имеют более сложную процедуру расчета, которая производится по справочникам и зависит от их типа и назначения (силовые, измерительные, трехобмоточные, тороидальные устройства и т.д.)

Далее рассчитывается сила тока в первичной обмотке трансформатора: I₁ = P₁ / U₁

Соответственно, ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора, вычисляется по формуле: : I₂ = P₂ / U₂

Исходя из величины тока в каждой обмотке, выбирается сечение жилы. Но заметьте, что проводник в обмотке значительно хуже охлаждается, поэтому запас сечения делается на 20 – 30%. Проще выполнять данную работу медными проводами, но это требование не критично.

Таблица: выбор сечения, в зависимости от протекающего тока

Медный проводник		Алюминиевый проводник
Сечение жил, мм 2	Ток, А	Сечение жил. мм 2	Ток, А
0,5	11	—	—
0,75	15	—	—
1	17	—	—
1.5	19	2,5	22
2.5	27	4	28
4	38	6	36
6	46	10	50
10	70	16	60
16	80	25	85
25	115	35	100
35	135	50	135
50	175	70	165
70	215	95	200
95	265	120	230
120	300

Сборка повышающего трансформатора

Особенностью повышающего трансформатора является большее сечение жил первичной обмотки трансформатора по отношению к вторичной. Ярким примером может служить любой агрегат, повышающий напряжение питания 220 Вольт до 400, 500, 1000 В и т.д., соответственно класс изоляции трансформатора выбирается по номиналу вторичной обмотки, как в сетевых трансформаторах.

Заметьте, что проводник большого сечения не получится намотать самодельным станком, поскольку вы не сможете выдать достаточное усилие. Определить это довольно просто – если первые витки свободно двигаются по каркасу катушки или хуже того, вы видите явный зазор между жилой и каркасом, переходите к ручной намотке.

Для сборки вам потребуется выполнить такую последовательность действий:

Соберите основание из диэлектрического материала, для этого можно вырезать его по лекалу из картона. Сборка каркаса производится внахлест при помощи клея. Рис. 2: изготовьте каркас для трансформатора

Если у вас имеется готовый образец, можете переходить к следующему этапу.

В случае наличия видимых зазоров рекомендуется придавливать витки деревянной пресс-плашкой или прибивать их через плашку молотком.

Посчитайте количество витков, оно должно соответствовать расчетному, выводы проденьте в отверстия. Уложите слой изоляции на первичку.
После слоя изоляции намотайте вторичку, так как здесь будет использоваться более тонкий провод, эту процедуру проще выполнять на станке. Рис. 6: намотайте вторичную обмотку

Периодически проверяйте плотность витков и их фиксацию на стержне. Хорошая фиксация не должна прогибаться и деформироваться при нажатии пальцами.

Если все витки не помещаются в один слой, их выкладывают в несколько, тогда важно соблюдать одно и то же количество витков в каждом из них. Слои перекладываются диэлектрическим материалом, заметьте, что толщина изоляции не должна существенно влиять на общие габариты катушек. Рис. 7: заизолируйте первый слой
Выведете концы вторичной обмотки на щечку каркаса.
Поместите магнитопровод в окно каркаса, сборка сердечника выполняется поочередно с каждой стороны, иначе потери окажутся слишком большими. Затем сердечник распирается для плотности фиксации. Рис. 8: поместите катушки на сердечник

Мощные трансформаторы на большой номинал напряжения дополнительно пропитывается парафиновой изоляцией. Такая процедура приводит к повышению емкостных потерь, но создает дополнительную защиту от электрического тока.

Сборка понижающего трансформатора

Понижающий трансформатор будет отличаться большим количеством витков на первичке. В быту их можно часто встретить в блоках питания, сварочных аппаратах и прочем оборудовании. Правда, в импульсных блоках используется другая технология, поэтому ремонт таких устройств производится без трансформаторов.

Так как изготовление сварочного трансформатора своими руками довольно актуально для домашних самоделок, рассмотрим на примере этот вариант. Требования к процессу сборки соответствует предыдущему. Отличительной особенностью такого агрегата является большое сечение провода во вторичной обмотке, так как сварочный ток может достигать сотен ампер.

Процесс изготовления заключается в следующем:

Возьмите старое или изготовьте основание для катушки.
Зафиксируйте на трансформаторном каркасе слой изоляции.
Намотайте первичную обмотку с попеременной изоляцией слоев.
Заизолируйте первичку и намотайте вторичную обмотку, так как большой диаметр проводов не позволит сделать это вручную, используйте слесарный инструмент.
Зафиксируйте выводы обеих катушек.
Установите пластины сердечника.

Испытание

Для проверки работоспособности П-образных или тороидальных трансформаторов в домашних условиях можно воспользоваться обычным мультиметром. Для этого переведите измерительный прибор в режим прозвона и проверьте целостность каждой из обмоток. Затем проверьте изоляцию между каждой из обмоток и магнитопроводом и сопротивление между обеими обмотками. Это наиболее простой комплекс испытаний, который даст общее представление об исправности самодельного агрегата.

Для проверки отсутствия короткозамкнутых витков используется лампа, включающаяся последовательно к первичной обмотке.

Помимо этого электрические машины испытываются в режиме холостого хода и короткого замыкания. Такие проверки показывают, насколько качественно собран преобразователь, но выполнять их в домашних условиях не обязательно.

Burner
Не знаю. В 17ч сунул, в 9ч паял Смывка тоже разная есть, свою не помню, в прямоугольной жестянке 0,5л, импорт.

пожалуй рановато спросил
в инете еще плохо ориентируюсь. по поиску оказалось много чего есть про них. почитал и покой меня покинул. не могу понять одну вещь. согласно статьям, которые мне порекомендовали почитать недавно, применение многослойных обмоток приводит к большим рассеиваниям мощности за счет эффекта близости. плотность тока максимальна на внутренних поверхностях слоев. если посмотреть на обмотку планарного трансорматора сверху, если я правильно понял, она представляет собой спираль. значит в разрезе это как раз многослойная обмотка. да еще проводники прилегают друг к другу в слоях торцами. в статье говорилось что это очень не удачный вариант использования проводника. откуда же у планарных трансформаторов такие хорошие характеристики? помогите разобраться

Чем больше расстояние между обмотками и толщина слоя обмотки, тем выше рассеяние. В планарном трансе вроде слои обмоток перемежаются. Толщина и расстояние равны толщине платы.

а почему их никто не делает ? по крайней мере на этом форуме никто не хвастался. это сложно?

не думал что чебуран это планарник
А в том виде как в разных прайсах от производителей?
трудно фольгу раздобыть, или еще есть какие причины?

Нормальный планарный транс имеет обмотку, как многослойная плата. Там тонкие текстолитовые платки склеиваются "смолой".
Видимо, не тянет никого на такие извраты.. Да и коэф. заполнения медью маловат. Мож., 0,3. Емкость паразитная большая. А так в принципе возможно - бывает текстолит с фольгой 0,2 мм. Если сам текстолит при этом будет 0,4 мм - пойдет. Аднака примерно с тем же результатом на коленке можно сделать транс с обмотками, намотанными медной жестью одновременно. Неминуемо упадет коэф. заполнения и оч. сильно - Ls. Не факт, что второе окупит первое.

Как-то попалась (вроде в книге Войцеховского) инфа, что можно изготовить самопальный сердечник из дроблёного ферита и эпоксидного клея. Никто не пробовал такое делать? Вроде должно работать и, как я понимаю, такому сердечнику не нужен немагнитный зазор - можно тор намотать, причём сперва намотать катушку, согнуть её в бублик, а потом начинить сердечником. Кто что думает по этому поводу?

Очень даже можно! Только сердечник всё таки удобнее сотворить до того, как на него будет мотаться катушка.

Как-то попалась (вроде в книге Войцеховского) инфа, что можно изготовить самопальный сердечник из дроблёного феррита и эпоксидного клея

очень интересно. Можно создавать сердечники на свой "вкус" virkator Коль Вы читали про это инфу скажите, пожалуйста, частички феррита дробятся до какого состояния (порошок, 0,5. 1мм. 2мм)?

virkator
Размалывали ферриты в пудру на шаровой мельнице. Клеили на зпоксидке. Получился кусок асфальта. Порезали ш20х28 на кусочки и склеили как мозаику. Выкрутились.

В самом деле, подобную технологию не стоит использовать для изготовления самопальных ферритовых сердечников произвольной конфигурации, т.к. проницаемость "асфальта" будет на много меньше оригинальной из-за распределённого зазора. Таким образом можно пытаться изготавливать сердечники для дросселей и трансформаторов обратноходовых преобразователей.

Не поленитесь посмотреть первоисточник - Януш Войцеховский, "Радиоэлектронные игрушки", книга достойная, хоть и старая, индукционная плавильня и прочие поделки от туда взяты.
Вот ссылка для скачивания например:
http://publ.lib.ru/ARCHIVES/V/VOYCEHOVS . y_Ya..html
Про дроблёный ферит на стр. 46, на счёт эпоксидки я, видимо, нафантазировал, автор всякими лаками сгущает или вообще в каркас порошок засыпать предлагает. О размерах сказано "тщательно измельчённый", но думаю это не критично, мы же не альсифер делаем, более крупные кусочки будут облеплены мелкими, типа как в бетоне. Конечно проницаемость будет меньше, но можно сам сердечник слепить какой угодно большой (лишь бы не как у низкочастотного сварочника ). Ферит предполагаю от отклоняющих систем брать. А про заливной трансформатор тоже где-то подсмотрел, кажись в "радио", заливают, конечно, не асфальтом а секретно-фирменным составом, внутри обмотка, снаружи сердечник - такой транс уже не перемотаешь.

Вот ещё, если кто не знает, методика разборки феритовых трансформаторов. Как выяснилось, ферит здорово греется в микроволновке. Теоретиков прошу не возбуждаться, сам думал, что не должен грется, пока не попробовал. Методика такая:
- освобождаем сердечник от внешнего бондажа (из желтого скотча) и медного экрана, если они есть.
- ложим трансформатор в микроволновку, туда же !ОБЯЗАТЕЛЬНО! ставим стакан с водой.
- включаем микроволновку на 30-40 секунд, если больше начинает плавиться межобмоточная изоляция и обмотки придётся срезать.
- одеваем верхонки и достаём трансформатор, он практически сам в руках распадается.

Часовой пояс: UTC + 4 часа

Кто сейчас на конференции

Давно порывался написать об этом трансформаторе. Когда устроился сюда, то данное решение вызвало у меня громадный восторг. Собственно говоря требовалось не разрабатывать отдельный транс, и сделать его в виде дорожек на плате. Т.е. в кажддом слое по нескольку витков. При чём это полномостовая схема включения трансформатора.

Изначально всё реализовывалось на одном кусочке текстолита, там же шла отладка.

Одна из особенностей транса - в сердечнике нет зазора. При полном отсутствии зазора - минимальное энергопотребление оконечного устройства.

А так это выглядит в оконечном устройстве

Писибишник платы выглядит так

А если разложить по слоям (я специально заморочился), то получится так:

Как видно, тут восемь слоёв. К сожалению, ни методики рассчёта, ни как вообще он рассчитывался - не известно. Создатель данного чуда, к сожалению скончался до моего трудоустройства. Но сам концепт может быть полезен читателям данного сообщества! думаю найти методики рассчёта не составит труда.

Повышение рабочих частот в современных импульсных преобразователях приводит к тому, что интерес разработчиков к компактным планарным трансформаторам также возрастает. Данная статья отвечает на два вопроса: в чем разница между традиционными и планарными магнитными компонентами и как выбрать правильный магнитный компонент для конкретного приложения?

Необходимость увеличения эффективности и уменьшения габаритов становится движущей силой для развития импульсных преобразователей. Это касается практически всех существующих топологий преобразователей, в том числе понижающих, повышающих, обратноходовых, прямоходовых и др. Снизить габариты и увеличить плотность мощности можно за счет использования инновационных компонентов и решений.

В традиционных топологиях импульсных преобразователей на МОП-транзисторах перечисленные задачи решаются с помощью силовых ключей, обладающих меньшим уровнем потерь и способных работать на более высоких частотах. В последнее время начинают появляться силовые транзисторы, изготовленные из широкозонных полупроводниковых материалов, рабочая частота которых оказывается еще выше, что позволяет дополнительно увеличить эффективность преобразователей и использовать более компактные магнитные компоненты. В результате, в высокочастотных импульсных преобразователях традиционные трансформаторы и дроссели заменяют планарными магнитными компонентами.

Данная статья отвечает на два вопроса: в чем разница между традиционными и планарными магнитными компонентами. Как выбирать правильный магнитный компонент для конкретного приложения?

Трансформаторы: традиционный против планарного

Традиционный импульсный трансформатор (рис. 1) состоит из первичной и вторичной обмоток, намотанных на катушку и ферритовый сердечник. Разделение обмоток осуществляется с помощью изоляции проводников и специальной ленты. Конструкция катушки и сердечника определяется топологией схемы.

Рис. 1. Пример традиционного трансформатора для импульсного источника питания, работающего с частотой коммутаций 100 кГц

Рис. 2. Планарный магнитный трансформатор, разработанный специально для импульсных источников питания, работающих на частоте до 700 кГц.

Чем выше частота – тем меньше магнитный компонент?

Увеличение рабочей частоты в первую очередь сказывается на габаритах магнитного компонента. Тем не менее, при переходе к более высоким частотным диапазонам (порядка нескольких сотен килогерц или единиц мегагерц) начинают сказываться другие факторы, которые могут повлиять на характер зависимости между габаритами и рабочей частотой.

С ростом частоты все большее значение приобретает скин-эффект. Скин-эффект проявляется в виде вытеснения высокочастотных токов к внешней поверхности проводника. В результате, ток распределяется по сечению проводника неравномерно: наибольшая плотность тока наблюдается у поверхности проводника, а наименьшая в середине проводника. Поскольку удельное сопротивление является функцией площади поперечного сечения проводника, то в результате воздействия скин-эффекта сопротивление увеличивается с ростом частоты.

В случае с традиционным трансформатором эту проблему можно решить за счет увеличения диаметра намоточного провода или использования множества жил меньшего сечения. К сожалению, оба варианта приводят к увеличению объема обмоток, что, в свою очередь, приводит к увеличению размера сердечника. Увеличение сердечника негативно сказывается на уровне потерь в трансформаторе, а также на его габаритах. Обмотки планарного трансформатора, выполненные в виде медной фольги, менее подвержены негативному воздействию скин-эффекта.

Преимущества планарных трансформаторов

Витки в планарном трансформаторе реализованы в виде медной фольги на печатной плате. Поэтому число витков в планарном трансформаторе ограничено. В то же время, большая площадь магнитного сечения позволяет обходиться меньшим количеством витков. Кроме того большая площадь поверхности обеспечивает более эффективное рассеивание тепла, выделяемого в трансформаторе.

Использование печатных проводников в качестве витков трансформатора обеспечивает высокую степень согласованности расстояний между витками и слоями. В результате, межобмоточная емкость является постоянной, а чередование обмоток позволяет снизить потери проводимости. И как в случае с любыми другими печатными платами, рейтинг изоляции и путь тока утечки будут зависеть от используемых в трансформаторе зазоров. Принимая во внимание все вышесказанное, можно сделать вывод, что планарные трансформаторы обеспечивают превосходную эффективность и высокую степень воспроизводимости параметров.

Преимущества традиционных трансформаторов

Если бы не переход на более высокие рабочие частоты, вряд ли планарные элементы рассматривались как альтернатива для традиционных магнитных компонентов с проволочной намоткой. Несмотря на все очевидные преимущества планарных трансформаторов, даже в высокочастотных приложениях, традиционные трансформаторы с проволочной намоткой все еще имеют ряд важных достоинств. Планарные трансформаторы занимают гораздо больше места на печатной плате, чем традиционные трансформаторы. Таким образом, если рассеяние мощности и/ или запас мощности не являются ключевыми параметрами, то разработчики обычно выбирают стандартный трансформатор.

Наконец, в настоящий момент производство традиционных трансформаторов занимает меньше времени. Образцы могут быть намотаны в течение нескольких дней. Кроме того, в них можно быстро внести изменения для получения оптимальной эффективности. Планарные магнитные компоненты требуют разработки печатной платы и инструментов для создания особого магнитного сердечника. В крупносерйиных приложениях с большой мощностью планарные устройства становятся более экономичным выбором и обеспечивают высокую производительность, но практически во всех остальных случаях оптимальным выбором оказываются все-таки традиционные проволочные трансформаторы.

Работа с надежным производителем

В конечном итоге, следует иметь дело с продукцией производителя, который понимает преимущества и недостатки обоих типов трансформаторов. В этом случае разработчики могут быть уверены в действительно оптимальном решении.

Power Transformer 7.08:1 Single Prim. Single Sec. 390V Prim. 24V Sec. Through Hole. Корпус: EE16/EI16

Читайте также: