Трансформатор для мс головок своими руками

Добавил пользователь Дмитрий К.
Обновлено: 18.09.2024

В недалёком 2016 году на одного молодого, но очень впечатлительного четверокурсника факультета энергетики оказала влияние статья, в которой автор весьма популярно показал что такое в день сегодняшний высокотемпературные сверхпроводники (далее ВТСП). Ослеплённый желанием оживить в своей душе довольно однообразную и предельно консервативную электроэнергетику, пробираясь сквозь пелену противоречий и острую нехватку финансов, молодой бакалавр вместе со своими коллегами всё же построил трансформатор с обмотками из высокотемпературного сверхпроводника.

Приятного чтения!

Зачем делать трансформаторы сверхпроводящими?

Нынешние продукты трансформаторостроения воистину достигли в некотором смысле идеала. Крупные силовые трансформаторы, те самые, которые стоят в кирпичных или железных трансформаторных подстанциях (ТП-ушках) у вас во дворе, а также более крупные представители имеют КПД порядка 99%. Огромное количество нормативных документов регулирует работу, диагностику, способ установки и создания таких трансформаторов, а на конференциях и выставках появляются всё новые и новые представители с инновационной гайкой в остове магнитопровода или революционным маслом с пониженной концентрацией растворённых в нём газов.

Типичный представитель силовых трансформаторов

Преимущества трансформатора с ВТСП обмотками перед обычным:

— Практически полное отсутствие потерь энергии в обмотках (провода ведь сверхпроводящие, они не греются);
— Взрыво- и пожаробезопасность (жидкий азот, в отличие от трансформаторного масла, не выделяет взрывоопасных газов);
— Меньшая масса и габариты (плотность тока в сверхпроводящем проводе может в 10 раз превышать аналогичную в медном, при равном напряжении);
— Возможность ограничивать токи короткого замыкания.

Несмотря на сильную составляющую первых трёх преимуществ, все они блекнут перед гнётом огромной цены, которую приходится платить за сверхпроводимость. Поэтому, боюсь коммерческий успех ВТСП трансформаторов может состояться, разве что в особо требовательных видах военной и космической техники или на особых по уровню пожаробезопасности объектах. Однако четвёртое свойство может резко изменить картину и лично мне уже оно одно кажется достаточным, чтобы не только обратить внимание на ВТСП парадигму, но и провести какие-нибудь исследования. Собственно что и сделали многие мои коллеги по всему миру, взять хотя бы работы 3.
В чём же тут фокус?

О физике токоограничения

В настоящий момент, говоря о ВТСП проводах в контексте электроэнергетики, мы почти всегда говорим о композитных ВТСП лентах на основе керамических соединений. Как видно из изображения ниже, сверхпроводник (слой YBCO) нанесённый на металлическую подложку, покрывается со всех сторон некоторым защитным слоем. Этим защитным слоем могут выступать некоторые металлы и их сплавы, например медь. Естественно эти материалы не обладают сверхпроводящими свойствами при температуре жидкого азота, а значит в случае, если сверхпроводимость по каким-то причинам у YBCO-керамики пропадает, то весь ток распараллеливается между этими слоями, сообразно их резистивному сопротивлению.

Всякий ток пропорционален напряжению, приложенному к данному сопротивлению, а значит, если вдруг откуда ни возьмись в цепи появилось сопротивление там где его раньше не было (сверхпроводимость разрушилась), то ток (при неизменном напряжении) уменьшится. Притом степень этого уменьшения зависит от сопротивления материалов окружающих, ВТСП-слой. Но как разрушить сверхпроводимость? Есть на самом деле 2 фундаментальных способа: поднять температуру свыше критической, при которой сверхпроводимость не может существовать или подействовать на ВТСП магнитным полем выше критического. Притом, если по сверхпроводнику протекает ток, то он также создаёт магнитное поле, которое старается проникнуть в этот сверхпроводник, и если ток создаёт слишком большое поле, то сверхпроводимость начинает постепенно разрушаться. Ток, при котором сверхпроводимость начала разрушаться, принято называть критическим.

Строим трансформатор!

Ну всё! Теперь, уверен, вы понимаете достаточно для того чтобы приступить к постройке трансформатора, и, поверьте, для меня это было действительно увлекательным путешествием, поскольку если намотка провода для обычного трансформатора (привет тем, кто мотал) представляет собой весьма скрупулёзное и довольно нудное дело, то у ВТСП трансформатора сложность вырастает в разы. Особенно, когда подобное устройство собирается из подручных материалов. Разбираемся почему!

Каркасы обмоток

Одним из серьёзных недостатков ВТСП трансформатора есть то, что сердечник не является и не может являться сверхпроводящим. Поэтому у нас есть два варианта как поступить, тепло- и гидроизолировать сердечник от обмоток, увеличивая расстояние между им и обмотками и уменьшая КПД, или засунуть сердечник в азот вместе с обмотками, создавая большой кипятильник для азота, поскольку потери на холостой ход трансформатора никуда не деть. Мы решили пойти по первому пути, сделав криостат в виде полого цилиндра. Для чего в качестве каркаса для вторичной обмотки (которая ближе к сердечнику) выбрали это:

Труба из полипропилена и бумага обёрточная подле неё

Труба внутренним диаметром 100 мм. из полипропилена является идеальным гидроизолятором, но не очень хорошим теплоизолятором. Более того некоторые виды пластика имеют свойство усаживаться при низких температурах, из-за чего обмотка намотанная непосредственно на такую трубу может быть деформированна вместе с трубой. Поэтому было принято решение дополнительно армировать данную трубу обмотав её поверх бумагой, пропитанной эпоксидной смолой. С бумагой проблем не возникло, такую в достатке можно раздобыть у выхода из различных (крупных) строительных магазинов (аля Леруа), там она бесплатная. С компаундом потяжелее. У нас не было опыта работы с самодельными текстолитами на основе бумаги, и мы не знали, как поведёт себя бумажно-пропитанный каркас при -196 градусов Цельсия. Посоветовались и решили взять первую попавшуюся эпоксидную смолу марки ЭД-20. При покупке смолы нас предупредили, что отвердитель (второй компонент, с которым смешивается смола, после чего затвердевает в ходе хим. реакции) срабатывает за 20 минут. Отчего сразу стало понятно, что медлить будет нельзя и пропитывать бумагу нужно будет быстро. Для этого верные соратники предстали в образе человеческого конвейера.

Импровизированный конвейер по пропитке бумаги эпоксидной смолой

Запах был, прямо скажем, не очень. А ещё берегите руки при работе с компаундами!

Процесс пропитки бумаги

Второй каркас (для наружной обмотки) делался уже по образу и подобию первого и прямо поверх него. Чтобы каркасы не слиплись, подложили немного случайного материала, который впоследствии можно было бы отодрать. В итоге получилось:

Готовые каркасы для обмоток

Резюмируя эту часть скажу, что более дешёвого способа сотворить два немагнитных, неметаллических, криостойких и достаточно прочных каркаса, наверное просто нету. Самый дорогой элемент в создании каркаса оказался конечно же компаунд ~500 р./кг., за ней следует ПП труба, ну а далее кисточки, перчатки — это опционально.

Ослепительно дорогая часть описываемого проекта

Помимо дороговизны ВТСП лента ещё и очень прихотливый материал. Она не любит сильных перегревов (свыше 500 градусов), у неё большой предельный радиус изгиба (около 20 мм, при превышении начнётся деформация сверхпроводника), её также нельзя скручивать, мять, бить. Всё это превращает работу с ВТСП проводами в подобие ювелирного искусства. Как будем наматывать?

Честно говоря, способ намотки ленты на каркас выбран наверное самый примитивный. Лента покрывается повдоль с одной стороны каптоновым скотчем, а выступающие за пределы ленты края скотча приклеиваются вместе с лентой к каркасу. В результате в процессе намотки мы получаем два фактора, удерживающие обмотку на каркасе: адгезия скотча и поверхности текстолита и сила трения ленты о ту же поверхность. В итоге, на удивление, получилось довольно надёжно.

Процесс намотки наружной (первичной) обмотки

Мотали, собственно, трансформатор с числом витков 50:25, на практике получилось немного меньше, но не суть. Первичная обмотка (наружная) была однозаходная (одна спиралька по всей высоте), вторичная обмотка (внутренняя) была двухзаходная (две спиральки идут, чередуясь). Что собственно даёт критический ток первичной = 80 А и для вторичной 160А. Если учесть что сетевое напряжение (под которое делался трансформатор) = 220 В. То получается около 10 кВт передаваемой мощности практически без потерь, в довольно небольшом объёме. Итоги намотки:

Первичная (слева) и вторичная (справа) обмотки ВТСП трансформатора

Мы добрались до самого нервного процесса в изготовлении трансформатора. Как было сказано выше, сверхпроводник не любитель высоких температур. Когда мы говорим о медном проводе, способном длительно нести 60-80 Ампер не особо перегреваясь, то мы имеем ввиду сечения 16 или 25 мм^2. Это довольно массивные и непослушные провода, которым тяжело придать нужную изящную форму для удобного спаивания с 4 миллиметровой ВТСП лентой. Если брать достаточно мощный паяльник и незатейливый припой, то можно перегреть ленту. Поэтому лучше взять Индий-Оловянный припой с температурой плавления ~103 град. С. А ещё лучше растопить его в паяльной ванне, покрыть ленту и провод паяльной кислотой и получить сказочный отблеск самообожания от хорошо проделанной работы в отражении горячего металла.

Нюанс. Токовые контакты лучше припаивать, не жалея площади ленты, для лучшего токоввода. Мы брали 3 см. ленты по поверхность касания с токовым контактом, но можно и больше. Контакты напряжения мы удалили от токовых на несколько сантиметров, чтобы не мерить падение напряжения на точке контакта, а непосредственно на обмотке. К сожалению, сохранилось только фото финала этого действа.

Обмотки с контактами

Финальная и самая кустарная часть нашего производства. Криостат выполнялся из пенопласта и акрилового герметика. И всё. К сожалению, не каждая марка пенопласта подойдёт. Пенопласт с крупными гранулами при попадании на него азота немедленно самоуничтожится с треском и грохотом.

Неправильный пенопласт (слева) и правильный пенопласт (справа)

Что же до герметика, то, кроме шуток, взяли самый дешёвый из тех, что был. Не знаю, в чём тут фокус. Главное, чтобы герметик был именно акрилловый, а не силиконовый, ибо последний (как нас заверили в магазине) может разъесть пенопласт.

Криостат был сборным, вырезались квадраты с круглыми отверстиями, такими, чтобы вся конструкция в итоге уместилась внутри, при этом снаружи криостата торчала труба, в которую в будущем предполагается поместить магнитопровод. Иначе говоря:

Сборный криостат

Как видно на фото, стыки всей этой конструкции жирно промазывались и пропитывались герметиком. На руку нам то, что герметик застывая при азоте, на ощупь напоминает сильно густой сыр, и выполняет свои функции крайне здорово. На последнем этапе, под трубу-каркас вырезается специальное дно, на которое он устанавливается и, наконец, вся эта конструкция собирается в единый ВТСП трансформатор.

ВТСП трансформатор

В итоге мы получили:

ВТСПТ-10000, 220/110 В, 50/100 А, ОХЛ

ВТСП Т — последняя буква означает трансформатор
10000 — мощность в ВА
220/100 — номинальные напряжения первичной/вторичной обмоток
50/100 — номинальные токи первичной/вторичной обмоток
ОХЛ — работа при очень холодных условиях

Эксперименты

Здесь же я покажу главный опыт, ради которого и делался трансформатор. Замкнём накоротко вторичную обмотку и с помощью выключателя подадим на первичную обмотку напряжение от сети (220 В). Поскольку сопротивления первичной обмотки и магнитно связанной с ней (через воздух) вторичной обмотки малы, то в цепях будут протекать достаточно большие токи. Эти токи будут превышать критический уровень в 80 А и, следовательно, разрушать сверхпроводимость, из-за чего ВТСП обмотка начнёт постепенно обретать конечное электрическое сопротивление, что в свою очередь вызовет ограничение тока. Что мы зафиксируем в виде искажённой синусоиды тока. И появления на осциллограмме напряжения некоторых конечных значений (вместо нулевых в нормальном режиме). Измерения будут проходить с помощью неожиданного для данного опыта устройства: анализатора качества электроэнергии. Неожиданный он потому, что частота дискретизации данного устройства в режиме осциллографа оставляет желать лучшего. Но что поделать. Тем не менее давайте взглянем на качественную картину происходящего.

Осциллограммы токов (точки на графиках соответствуют реальным снятым данным)

На осциллограммах слева (для сравнения) приведён режим короткого замыкания в случае, если не заливать трансформатор жидким азотом: мы видим слегка искажённую, но спокойную синусоиду тока короткого замыкания, который спустя период (на рисунке приведено полпериода) отключается автоматическим выключателем. Справа приведён режим короткого замыкания если криостат предварительно заполнен жидким азотом: мы видим сильный начальный рост тока, который постепенно (уже начиная со 150 А) загибается под действием прирастающего сопротивления. Однако из-за большего значения тока короткого замыкания автоматический выключатель срабатывает уже на первом полупериоде.

Увы пока довольствуемся лишь этими качественными результатами, но в скором времени обязательно сделаем много других.

Конечно, ВТСП трансформатор оставляет после себя уйму противоречий. Эти противоречия проявляются даже в кустарном способе изготовления такого непростого устройства. Чего говорить о реальных действующих образцах, с которыми вы можете ознакомиться по [1,3]. Реальная ВТСП электроэнергетика далеко ускакала вперёд с разработками кабелей и токоограничителей, претерпевая трудности даже в этих более развитых её подразделениях. С ними довольно популярно можно ознакомиться не покидая этот сайт, например здесь.

Тем не менее, сколь противоречива бы ни была эта область инженерного знания, прав в конечном итоге останется тот, кто свою правоту сможет обосновать, так что будем стараться.

И в любом случае, это жутко интересно!

Благодарю за внимание!
Искренне Ваш DOK.

Также выражаю благодарности:

Высоцкому Виталию Сергеевичу и команде ВНИИКП за помощь и консультирование в этом нелёгком пути.
Павлюченко Дмитрию Анатольевичу за гигантскую поддержку и желание развивать это направление с нуля!

1. Dai S. et al. Development of a 1250-kVA superconducting transformer and its demonstration at the superconducting substation //IEEE Transactions on Applied Superconductivity. – 2016. – Т. 26. – №. 1. – С. 1-7.
2. Манусов В. З., Александров Н. В. Ограничение токов короткого замыкания с помощью трансформаторов с высокотемпературными сверхпроводящими обмотками //Известия Томского политехнического университета. – 2013. – Т. 323. – №. 4.
3. Lapthorn A. C. et al. HTS transformer: Construction details, test results, and noted failure mechanisms //IEEE Transactions on Power Delivery. – 2011. – Т. 26. – №. 1. – С. 394-399.

Клуб любителей винтажной аппаратуры и качественного звука.

посоветуйте МС трансформатор

планируемый будующий усилитель к сожалению не располагает МС корректором.
посоветуйте устройство.
ну наверное начального уровня. но хотелось бы чтоб получше встроенных.
голова есть яма 270мс. планирую попробовать денонов. 103 например
бюджет не космический. всяких там лаксманов 03 к сожалению пока не потянуть

Прочитал и совершенно не понял на какое входное сопротивление он рассчитан, надпись 75 ом видел. Но для МС довольно много, головы рассчитанные на такое сопротивление конечно существуют, а что автор темы будет делать с картриджами с более малым входным сопротивлением, коих большинство?
Что за голова YAMAHA 270MC?
Denon 103 если конечно не заниматься мазохизмом брать не стоит или можно брать если 12" тонарм без дела стоит.
Податливость там низкая, тяжелый тонарм нужен.
Если задаться целью взять за наименьшую сумму, тогда проще вообще не брать

status
про сопротивления пока ничего не знаю но обязательно почитаю. пока слушал на встроенных не парился.
тип ямахи уточню. на память могу ошибяться.
103 - это плод моих маленьких знаний про МС )). но наиболее часто упоминаемая в инете голова
цель не наименьшая сумма. цель-не потратить пока много денег)) пока я хочу только попробовать МС головы и понять нужно ли это мне.

. берём и за полчаса на коленке ваяем вот это

и не надо никаких глупостей
Могу замылить целиком сервизный мануал на C4.

А чо не подобрать, если автоматизируется? Динамики вот бериллиевые для чюдатворных емах подбирали попарно. Если мне не изменяет мой склероз, в топ-предах типа C-2a полевики в дифкаскад на входе корректора тоже подбирали. В ширпотреб типа A-520 - скорее всего нет.

Другое дело, что и промышленность современная кучно бьёт. Вот прикупил я BCxxx каких-то малошумящих (550/560, что ли) для опытов, по сотне тех и других. Наугад выбрал три или четыре из одного мешка, всунул в тестер. Разброс h21e в пределах пары процентов.

UPD. Хы, в C-2a подбирать не надо было, там сборка, как раз под это дело и заточенная. Два полевика в одном флаконе.

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.

БП из трансформаторов СВЧ-печей

Знаете ли вы, что напряжение на электрическом стуле 2 kV? А напряжения, даваемые описанными ниже устройствами, раза в полтора выше. Современная жизнь создает иллюзию что всё поправимо. Увы, нет. Тут не компьютерная игрушка, где в запасе несколько жизней. Одно неверное движение - и объяснять, чего вы хотели, но не так вышло, будете уже архангелу Гавриилу. Или кто там принимает новоприбывших на том свет, не помню.
Будьте внимательны, собраны и не забывайте семь раз отмерять и проверять.

Идея использовать для блока питания мощного лапового PA силовых трансформаторов от бытовых СВЧ-печей (СВЧТ) давно имеет хождение среди радиолюбителей. С первого взгляда она кажется весьма привлекательной. Ведь СВЧТ отдает мощность 1. 1,5 kW (при мощности печек 650. 900 W, соответственно) и имеет переменное напряжение на вторичной обмотке 1800. 2300 V (в зависимости от типа магнетрона). Если к этому добавить малые габариты и невысокую стоимость СВЧТ (из сгоревших печей их можно купить по цене лома, ибо надежность СВЧТ высока и в вышедшей из строя печи СВЧТ практически всегда будет исправен), хорошее качество изготовления и заливки, то кажется что СВЧТ хорошо подойдет для PA с выходной мощностью 600. 900W (при одном СВЧТ) или 1,2. 1,8 kW при паре СВЧТ.
Такой взгляд поддерживается редкими описаниями удачно работающих РА с блоком питания на СВЧТ (например, РА VK4YE). Описаний же тех, кто попробовал, но ничего путного не получил почти нет. Но это не значит, что случаи неудач редки. Отнюдь. Просто в таком случае хвастаться нечем и статью писать тоже вроде как не о чем. К примеру, тот же VK4YE в одном из форумов отмечал, что из четырех таких БП два у него сгорели в первый же день, третий - через пару месяцев, и лишь четвертый работает 6 лет.

Чтобы двигаться дальше разберемся сперва, как устроен СВЧТ.

Кардинальное различие между СВЧТ и трансформатором БП PA, заключается в том, что первый из них работает на максимальной мощности, но не более 30 минут (за это время любую курицу можно засушить до состояния подошвы) и затем выключается. В РА же трансформатор обязан работать часами и сутками. Не всегда на полной мощности (в режиме приема, например), но всегда длительно.
Таким образом, СВЧТ изначально спроектирован, чтобы при минимальных габаритах и цене отдавать максимальную мощность, но (увы!) лишь недолго.
Поэтому железо СВЧТ работает в насыщении. Это означает очень высокий ток холостого хода первичной обмотки. Типично 2. 4 А. Это слишком много для длительной работы в дежурном режиме. При таком токе трансформатор через 40..60 минут будет недопустимо перегреваться даже при отсутствии нагрузки.
Если каким-то образом (добавление витков сетевой обмотки или понижением напряжения на ней) снизить этот ток до приемлемых величин (для обычных трансформаторов считается 1 mA на каждый ватт выходной мощности, т.е. в нашем случае до 1 А примерно), то вместе с уменьшением магнитного потока в сердечнике упадет и мощность трансформатора. Исходно, магнитный поток в сердечнике СВЧТ и сделан столь большим (с заходом далеко в область насыщения сердечника), чтобы при малых габаритах передать большую мощность. Уменьшение же этого потока (домоткой сетевой обмотки или снижением напряжения на ней) соответственно снизит и габаритную мощность. В несколько раз. Выглядеть это будет так, что трансформатор "не держит" нагрузку и напряжение на вторичной обмотке "проседает" почти вдвое уже при нагрузке в 300. 400 Вт.
Но в конце концов и 300..400 Вт с одного трансформатора это неплохо. Можем ли мы использовать СВЧТ со сниженным током холостого хода (с домотанной сетевой обмоткой или с пониженным напряжением на ней) в длительном дежурном режиме? Оказывается, тоже нет.
В погоне за экономичностью и технологичностью пластины СВЧТ скреплены вместе сваркой. Т.е. электрически они соединены между собой, отрывая прямую дорогу для вихревых токов. В обычном трансформаторе сердечник выполняется из набора пластин, изолированных (слоем окисла) друг от друга. Делается это как раз для того, чтобы разорвать цепь протекания вихревых токов, и тем самым заметно снизить потери в сердечнике и его нагрев. А в СВЧТ эти пластины заботливо соединены сваркой друг с другом, да еще в нескольких местах.
Поэтому обычная норма (1 mA на 1 W выходной мощности) холостого тока первичной обмотки для сваренных сердечников СВЧТ не годится. Даже при токах холостого хода 400..500 мА сердечник СВЧТ через 40. 60 минут раскаляется до 70 0 . 80 0 , что явно неприемлемо.
В принципе, любителями описаны случаи, когда путем полной разборки сердечника СВЧТ (удалением сварки), разделения пластин и покрытия их лаком и последующей сборки СВЧТ (на стягивающих винтах) удалось получить приемлемый нагрев сердечника при токе холостого хода 1 А. Но трудоемкость такой переделки столь высока, что я не рискнул бы ее рекомендовать (разве что в самом крайнем случаем - когда трансформатор взять больше негде, иначе как от СВЧ печки). Поэтому вернемся к нашим обычным (сваренным, не переделанным СВЧТ).
Приемлемый нагрев (40..45 0 на холостом ходу через час) сердечника СВЧТ достигается лишь при холостых токах менее 200 mA. Но для этого требуется снижать на первичной обмотке напряжение практически вдвое. Кажется заманчивым включить два одинаковых СВЧТ первичными обмотками последовательно (тогда на каждой будет по 110 V). Требуемый холостой ток и нагрев сердечника при этом действительно достигаются. Но ценой значительного падения мощности (сильная "просадка" напряжения вторичной обмотки, даже при относительно небольшой мощности). Поэтому на практике такой вариант не годится.
Малая "просадка" выходного напряжения в СВЧТ достигается только при паспортном (или близком к нему) напряжении первичной обмотки.

Вывод 1: СВЧТ необходимо использовать при номинальном (220 V) напряжении первичной обмотки. Его заметное снижение резко ухудшает нагрузочную способность вторичной обмотки.

Вывод 2, вытекающий из вывода 1: сердечник СВЧТ будет греться. Сильно греться, даже на холостом ходу. И с этим обязательно надо что-то делать.

Что именно? Возможны лишь два варианта.
1. Включить СВЧТ в сеть постоянно и хорошенько обдувать его. Например, заключив в воздуховод и отдельным вентилятором. Конечно СВЧТ греется. Но при хорошем обдуве можно удержать его температуру в разумных пределах. Обычно СВЧТ залит чем-то вроде эпоксидки, каркасы пропитаны ею же. Поэтому гореть и плавиться в СВЧТ особенно нечему, и даже при температуре 50. 60 0 он может длительно работать.
Кроме постоянного шума вентилятора, этот вариант имеет еще и тот недостаток, что 100. 150 W из сети потребляются постоянно и расходуются на нагрев сердечника СВЧТ. Мало того, что эту мощность, рассеиваемую в тепло в сердечнике, надо отводить обдувом, так еще за нее придется и платить. За месяц работы такого СВЧТ даже только в дежурном режиме "нагорит" 100 кВт·ч. А если в БП два СВЧТ (что часто требуется), то все 200 кВт·ч.
2. Второй вариант не годится любителям долго CQ-лять и делать 500 QSO в сутки. В этом варианте СВЧТ включен в сеть не постоянно, а через нормально разомкнутые контакты мощного реле, управляемого педалью "RX/TX". Если отношение времени приема к времени передачи превышает 3 (типично для средней работы), то СВЧТ успевает приемлемо охладиться во время приема и не требует дополнительного обдува.
Самым крупным недостатком этого решения является невозможность QSK, т.е. быстрого переключения на передачу. Ведь при включении на передачу подается сеть на СВЧТ и происходит заряд конденсатора фильтра питания. Это требует времени - до десятых долей секунды. Кроме того, броски тока при зарядке конденсатора могут быть велики, а применение всякого рода стартовых, токоограничивающих цепей удлиняет время включения на передачу.
В принципе, усложнив управление, можно сделать и QSK. Но лишь в пределах тех 30 минут, которые может без перегрева работать СВЧТ. Потом потребуется обязательная пауза на охлаждение (с полным отключением СВЧТ от сети).

Других вариантов нет. Имеющиеся же два довольно неудобны. Если эти неудобства для вашего случая слишком велики, то выбросите из головы идею применения СВЧТ в РА и займитесь поисками обычных трансформаторов.

Если же какой-то из вышеописанных двух вариантов вас устраивает, можно приступать к выбору схемы. Он, откровенно говоря, невелик. И зависит не от вашего желания, а от конструкции каркаса высоковольтной обмотки СВЧТ.
Если изоляция каркаса тонкая (обычно это тонкий картон, пропитанный эпоксидкой), то выбора нет. Схема может быть только такой, как показано на рис. 1:

Дело в том, что в "родном" включении СВЧТ один из выводов высоковольтной обмотки (внутренний) сидит прямо на корпусе (часто это сделано прямо на СВЧТ). Поэтому там нет никакого смысла очень уж качественно изолировать первый слой этой обмотки от сердечника - все равно напряжение там низкое.
Если же мы попытаемся нагрузить вторичную обмотку СВЧТ на диодный мост, то ситуация изменится кардинально. Теперь высокое (полное выходное) напряжение относительно корпуса поочередно будет оказываться на обоих выводах вторичной обмотки. В том числе - и на внутреннем. Поэтому, если качество изоляции начала обмотки от сердечника вызывает сомнения (выдержит ли она 2,5. 3,3 кВ?), то схема выпрямителя может быть только такой, как показано на рис. 1 - внутренние выводы обеих высоковольтных обмоток соединены с корпусом. Конечно, оба СВЧТ должны быть одинаковыми.

Если же каркас высоковольтной обмотки выполнен из толстого и качественного диэлектрика, то можно рискнуть и использовать обычную мостовую схему выпрямителя (рис. 2). Если мощности одного СВЧТ не хватает, можно включить параллельно два одинаковых СВЧТ (рис. 3).

Такая схема более предпочтительна с точки зрения получения максимальной мощности, чем схема рис. 1.
Дело в том, что схема рис. 1 хотя и является двухполупериодной, но имеет одну неприятную особенность. В отличие от такой двухполупериодной схемы, в которой выходная обмотка (с отводом от середины) намотана на одном сердечнике, в схеме рисунка 1 "половинки" вторичной обмотки намотаны на разных сердечниках. Поэтому имеется изрядное подмагничивание каждого из сердечников постоянным током. В обычной схеме (с одной обмоткой с отводом на одном сердечнике) этого не происходит - подмагничивание в разные полупериоды имеет разные знаки и потому взаимно компенсируется. В схеме же рис. 1, увы, подмагничивание сердечников есть (в каждый полупериод - своего, и компенсации не происходит, потому что сердечников два), и оно снижает (раза в полтора) максимальную мощность.

Таким образом, схема рис. 2 дает мощность, равную мощности применяемого СВЧТ (выходная мощность той печки, где стоял СВЧТ, умноженная на 1,4..1,6). Схема рис 1 - в полтора раза больше. Схема рис. 3 - в два раза больше.

Ну что, теперь-то можно приступать к изготовлению БП? Еще рано. Сперва надо переделать СВЧТ.
Во-первых, неплохо бы удалить накальную обмотку магнетрона (несколько витков толстым проводом в хорошей изоляции поверх высоковольтной обмотки). Собственно наличие этой обмотки ничему не мешает и ее можно оставить (обрезав до минимума её выводы). Но уж больно там хороший провод: высоковольтный и не боящийся высокой температуры. Такой очень пригодится при разводке анодных цепей РА, поэтому постарайтесь все-таки смотать накальную обмотку. Но особо не усердствуйте. Если не очень получается и есть риск повредить высоковольтную обмотку, то лучше оставить все как есть.
Во-вторых, из применяемых СВЧТ надо выбить магнитные шунты. Их два в каждом СВЧТ. Магнитные шунты - это пачки металлических пластин, вставленных в окна сердечника между сетевой и высоковольтной обмотками. Шунты показаны желтым цветом на рис. 4.

Исходное назначение шунтов - замкнуть на себя часть магнитного потока и тем ограничить максимальный ток вторичной обмотки. Сделано это для того, чтобы при не допустить "разгон" магнетрона на большую мощность, и перегрузки СВЧТ.
Но в РА от КЗ защищает анодный предохранитель (ведь он же есть у вас?). А ограничение тока вторичной обмотки нам совершенно ни к чему: и мощность снижает и "просадку" под нагрузкой повышает. Поэтому магнитные шунты должны быть удалены.
Это сделать непросто (они обычно плотно вставлены и хорошо залиты), но весьма желательно. В самом крайнем случае шунты можно и оставить, но это процентов на 20..30 снизит отдаваемую мощность и повысит "просадку" напряжения под полной нагрузкой.
Выбить шунты проще всего подходящим по размеру прямоугольным стальным бруском, положив СВЧТ на разведенные губки тисков. Сложность еще и в том, что железо шунтов мягкое, и при сильных ударах торец шунтов расклепывается, и если не полностью заклинивается в окне, то идет очень туго. Можно также попробовать, уперев в губки тисков упомянутый брусок и противоположную стенку сердечника СВЧТ, выдавить шунты сводя губки тисков. Или хотя бы стронуть их с места, а уж дальше выбивать.
В общем, процедура удаления шунтов столь же непроста, сколь и необходима.

Вот теперь вы можете приступать к изготовлению БП. В завершение еще несколько нюансов.
1. Даже если вы применяет схему рис. 1, то все равно желательно на СВЧТ оторвать от земли внутренний вывод высоковольтной обмотки, и закрепить его на дополнительном опорном изоляторе (качество последнего может быть невысоким). Точку соединения высоковольтных обмоток на рис. 1 лучше соединить не прямо с корпусом, а через резистор 0,5. 1 Ом. И по падению напряжения на этом резисторе измерять ток нагрузки, т.е. анодный ток.
2. Если получаемое после выпрямления напряжение слишком велико для используемой лампы, то можно снизить его на 10. 15%. Для этого надо соответственно домотать сетевую обмотку, используя место, где ранее были магнитные шунты. Обычно в СВЧТ 1,5 витка на вольт, поэтому надо доматывать 30. 40 витков. Это непросто, но вполне осуществимо. Надо позаботиться о хорошей изоляции, способной выдерживать высокую температуру, ибо в любом случае в СВЧТ довольно жарко.
3. Правильность фазировки в схемах 1 и 3 удобно проверять, временно подав на первичные обмотки СВЧТ 5. 6 V переменного напряжения от отдельного трансформатора. Но даже в этом случае соблюдайте осторожность: на высоковольтной обмотке будет около 60 V, а в схеме рис. 1 - около 120 V (между выводами, идущими на диоды). Это конечно не 2. 3 kV, но крепко дернуть (а при неудачном стечении обстоятельств даже и убить) вполне может.
4. О диодах. В схемах рисунков 2 и 3 обратное напряжение на диодах равно выходному, а в схеме рис.1 - вдвое превышает его.
Диоды (вернее сборки) можно применять от СВЧ печей. По напряжению они имеют большой, запас (его хватает даже для схемы рис. 1), чего к сожалению, не скажешь о токе. Поэтому лучше сделать сборку из обычных выпрямительных диодов, зашунтировав каждый выравнивающими конденсаторами (0,01. 0,033 мкФ) и резисторами (300. 600 кОм 2 W). Но это довольно муторно: на каждый диод по резистору с конденсатором. Ведь диодов надо много и получается довольно большой блок.
Наилучшим решением является применение высоковольтных выпрямительных диодов, которые при небольшом превышении допустимого обратного напряжения переходят в режим стабилитрона. При последовательном включении нескольких таких диодов нет необходимости в выравнивающих резисторах и конденсаторах. Если в силу каких-то причин на цепочке диодов на одном из них чрезмерно повысится обратное напряжение, то он перейдет в режим стабилитрона и сбросит излишнее напряжение на остальные диоды цепочки.
Я бы рекомендовал диоды 1N5408. Их допустимое обратное напряжение 1 kV, при напряжении 1,2 kV они переходят в режим стабилитрона. Ток 3 A (пиковый 200). И при всем том, розничная цена их - 15. 20 центов. Учитывая экономию на выравнивающих резисторах и конденсаторах - почти даром.
4. Конденсатор фильтра.
Если у вас набор электролитических конденсаторов, то зачем вы читали эту статью? Зачем вам силовой трансформатор? Докупите еще таких же конденсаторов и сделайте бестрансформаторный РА. Если применяются электролитические конденсаторы, то силовой трансформатор - совершенно ненужная деталь.
Он нужен, если применяется один высоковольтный пленочный конденсатор, который (в отличие от электролитических) может работать без замены многие десятилетия. Но зато к нему нужен повышающий силовой трансформатор.
Емкость конденсатора фильтра выбирается исходя из тока нагрузки I_Н и допустимой амплитуды пульсаций выпрямленного напряжения Е_ПУЛЬС, по следующей формуле:
С=5I_Н /Е_ПУЛЬС,
где:
С - в мкФ,
I_Н - в mA,
Е_ПУЛЬС - в V.
Принято считать, что для РА с общей сеткой Е_ПУЛЬС может быть до 10% от анодного напряжения, а для схем с общим катодом - до 5%.
Следует также учесть, что на величину Е_ПУЛЬС понижается выходное напряжение выпрямителя под нагрузкой. Причем это падение идет дополнительно к снижению выходного напряжения из-за потерь на обмотках и диодах, а также из-за ограничения мощности сердечником трансформатора.
Пример (реальный БП). Схема рис. 1. СВЧТ (от печек с мощностью 800 W) имеют 2 kV переменного напряжения. На холостом ходу выходное напряжение будет 2,8 kV (просто в 1,4 раза больше). Максимальный ток нагрузки 0,8 А. Мы можем допустить максимальную амплитуду пульсаций 100 V. По приведенной формуле получаем, что конденсатор должен быть не менее 40 мкФ. Падение напряжения источника под полной нагрузкой сложится из:
- Е_ПУЛЬС, которая, как мы посчитали-задали составит 100 V.
- Падения на активном сопротивлении вторичных обмоток и диодах (в каждом плече использована цепочка из 8 диодов 1N5408) - около 100 V.
- Падения напряжения из-за потерь в сердечнике 100 V.
Т.е. под током 0,8 А общее падение напряжение будет 300 V, выходное напряжение будет составлять 2,5 kV с пульсациями 100 V.

При наладке БП не забывайте разряжать конденсаторы. Хотя бы так. Убойное напряжение на пленочных конденсаторах без цепей разряда может сохраняться сутками.

Читайте также: