Найбільш відповідальною і дорогою деталлю силового блоку радиоустройства, що живиться від мережі змінного струму, є силовий трансформатор. Один із прикладів принципової схеми трансформатора приведений на рис. 1. Трансформатор має сердечник, зібраний з тонких пластин трансформаторної сталі. Обмотки трансформатора виконуються з мідного ізольованого проводу на прессшпановом каркасі.
Сердечники трансформатора збираються з пластин двох типів: Г-образних і Ш-образних. Типом пластин визначається і конструкція трансформаторів, які показані на рис. 2.
На стержневом осерді (Г-образні пластини) обмотки трансформатора розміщуються рівномірно на обох стержнях (рис. 2, а), наприклад на одному стрижні розміщуються первинна (мережева) обмотка і знижує для напруження ламп, а на іншому - вторинна підвищує (високовольтна) обмотка . При цьому типі пластин обмотки іноді розміщуються і на одному стрижні сердечника.
На броньовий сердечнику (Ш-образні пластини) все обмотки поміщаються на його середньому стрижні (рис. 2, б).
Якщо ми підключимо первинну обмотку I трансформатора до джерела змінного струму (рис. 3), по ній буде протікати змінний струм, який створить в осерді змінний магнітний потік. Так як на другому стрижні трансформатора розташована вторинна обмотка II, змінний магнітний потік буде перетинати витки вторинної обмотки, внаслідок чого в ній (за законом електромагнітної індукції) буде наводитися електрорушійна сила (ЕРС). Якщо паралельно вторинної обмотці включити прилад (вольтметр), він покаже величину индуктированного напруги.
Для того щоб знизити напругу електромережі, вторинна обмотка повинна мати меншу кількість витків, ніж мережева, а для підвищення напруги - більше в порівнянні з первинною (мережевий) обмотки.
Для живлення радіоапаратури потрібні різні напруги: висока (з подальшим випрямленням) для харчування анодних ланцюгів і ланцюгів екранних сіток ламп і два низьких - для харчування ланцюгів напруження ламп і окремо для напруження кенотрона, якщо він застосовується у випрямлячі (виняток становить тільки кенотрон 6Ц5С, нитка напруження якого можна живити від загальної обмотки напруження).
Внаслідок втрат в осерді і обмотках від вторинної обмотки трансформатора ніколи не можна отримати ту ж потужність, яка була підведена до первинної обмотці. Звідси існує поняття про КПД (коефіцієнт корисної дії) трансформатора. Саморобні трансформатори, розраховані за спрощеними формулами до виконані на звичайній трансформаторній стали, мають ККД зазвичай її вище 70-80%.
Припустимо, що трансформатор повинен забезпечити харчуванням підсилювач або приймач, що споживає за анодним ланцюгах струм 100 мА при напрузі 250 В і по ланцюгу напруження ток 2 А при напрузі 6,3 В. Для випрямлення змінного струму беремо кенотрон 5Ц4С, для розжарення нитки якого потрібно струм 2 а при напрузі 5 В (для визначення струмів, споживаних електродами тієї чи іншої лампи, слід користуватися їх довідковими даними).
Таким чином, з великим наближенням (без урахування падіння напруги на внутрішньому опорі кенотрона і дроселі фільтра) вторинна обмотка повинна бути розрахована на напругу 250 В і силу струму 100 мА (0,1 А), обмотка напруження ламп на напругу 6,3 В і силу струму 2 а, а обмотка напруження кенотрона на 5 В і струм 2 А. Підраховуємо їх потужність по формулі
де U в вольтах, а I в амперах. Отже, P1 = 250 * 0,1 = 25 Вт, Р2 = 5 * 2 = 10 Вт, Р3 = 6,3 * 2 = 12,6 Вт.
Pсб = P1 + P2 + P3. Вт (2)
Потужність у всіх трьох вторинних обмотках буде дорівнює
РСБ = 25 + 10 + 12,6 = 47,6 Вт.
Якщо прийняти ККД трансформатора, виготовленого в аматорських умовах, не вище 80%, споживану від мережі потужність можна підрахувати за формулою
У нашому випадку потужність, споживана від мережі, буде дорівнює
Рпр = 1,2 * 47,6 = 57,12 Вт.
Наступний етап розрахунку - визначення перетину сердечника, т, е площі сердечника в квадратних сантиметрах - Q см 2. Розраховується вона за формулою
Qсм 2 = 1,2 * Pпер 0,5 = см 2. (4)
Так як сердечник збирається з тонких пластин, ізольованих одна від одної, в формулу введений коефіцієнт 1,2, що враховує заповнення сердечника. Таким чином, перетин сердечника нашого трансформатора дорівнюватиме
Q см 2 = 1 * 2 57,12 0,5 = 9,07 см 2
(Вважаємо округлено 9,0 см 2).
Після цього потрібно визначити ширину пластин середнього стрижня (якщо пластини Ш-образні) і товщину набору в см. Перемноживши ці величини, отримаємо площу перетину стрижня. Так як розрахунок всіх геометричних розмірів сердечника (площа вікна, товщина набору і ширина пластин) для початківця радіоаматора - справа досить складна, можна просто вважати відношення ширини пластин стрижня до товщини набору рівним від 1 до 2.
Ширина середнього стрижня, см
При такому співвідношенні можна бути впевненим, що отримане з подальшого розрахунку кількість витків вкладеться в вікно сердечника. З наведених у табл. 1 даних вибираємо пластини Ш-25, при яких товщина набору вийде 3,6 см, а відношення сторін дорівнюватиме 1,44, так як 9 см 2. 2,5 см = 3,6 см, а 3,6: 2, 5 = 1,44.
Далі розраховуємо кількість витків обмоток трансформатора, для чого слід визначити кількість витків, що припадають на один вольт, по формулі
n0 = (45 - 60) / Q = витків, (5)
де Q - перетин сердечника в см 2. Якщо є пластини з трансформаторної сталі гарної якості, в чисельник слід підставляти число 45, якщо сталь погана - 60. При розрахунку вважаємо, що сердечник узятий від заводського трансформатора, тоді число витків на один вольт дорівнюватиме
Подальший розрахунок обмоток вже не представляє ніякої складності, слід тільки перемножити кількість витків, що припадає на один вольт, на задану напругу тієї чи іншої обмотки. Первинна обмотка для включення в мережу з напругою 127 В повинна мати П1 = 127х5 = 635 витків, що підвищує на 250 В - П2 = 250х5 = 1250 витків, для напруження кенотрона 5 В - П3 = 5х5 = 25 витків і для напруження ламп 6,3 В - П4 = 6,3х5 = 31,5 витка (округляємо до 32 витків).
Останній етап розрахунку обмоток - визначення діаметра обмотувального дроту за формулою, яка передбачає тривалу, безперервну навантаження трансформатора, при якій щільність (сила) струму на один квадратний міліметр перетину дроту береться не більше двох ампер,
d = 0,8 * I 0,5 = мм, (6)
де d - діаметр проводу в міліметрах, I - сила струму в амперах.
У нашому випадку d2 = 0,8 * 0,1 0,5 = 0,8х0,316 = 0,25 мм; d3 = d = 0,8 * 2 0,5 = 8х1,41 = 1,1 мм (округлено).
Для того щоб розрахувати діаметр проводу первинної обмотки, слід визначити протікає по ній струм. Для цього споживану від мережі потужність слід розділити на напругу мережі живлення
I1 = 57,12 / 127 = 0,45 А (округлено),
звідси d1 = 0,8 * 0,45 0,5 = 0,54 мм, або, округлено, 0,55 мм.
Для більшої впевненості можна перевірити, чи вкладуться обмотки у вікні вибраного нами сердечника. Робиться це так. З табл. 1 видно, що довжина вікна пластини сердечника дорівнює 6 см, а ширина 2,5 см, але так як обмотки намотуються на каркас, який у вікні займає багато місця, зазначені розміри слід зменшити на товщину щік каркаса і товщину гільзи. В результаті довжина вікна вийде приблизно 5,2 см, а ширина 2,2 см. За табл. 2 знаходимо, що проводи обмоток в емалевої ізоляції матимуть такі зовнішні діаметри: d1 = 0,59 мм, d2 = 0,27 мм, d3 = d4 = 1,15 мм.
Діаметр дроту без ізоляції, мм
Діаметр проводу в ізоляції, мм
Таким чином, в одному шарі з дроту діаметром 0,59 вкладеться 52 / 0,59 = 88 витків, а число шарів цієї обмотки дорівнюватиме
685/88 = 7 (округлено). По ширині вікна шари займуть 7x0,59 = 4,2 мм, або 0,42 см.
Для дроту діаметром 0,27 (з ізоляцією) число витків в шарі буде 2 / 0,27 = 192. Відповідно отримаємо кількість шарів 6,5, вважаємо з запасом сім шарів. Вони займуть по ширині вікна 2 мм, або 0,2 см.
Кількість витків в шарі дроту діаметром 1,15 одно 52 / 1,15 = 45. Таким чином, обмотки напруження вкладуться в два шари, що займе по ширині вікна 2,3 мм, або 0,23 см.
Склавши отримані величини 0,42 + 0,2 + 0,23, отримаємо, що всі обмотки по ширині вікна займуть 0,85 см.
У своєму розрахунку ми не передбачили, що багато місця займуть вивідні кінці обмоток, прокладки між шарами з цигаркового або конденсаторного паперу і прокладки між обмотками з лакоткани або декількох шарів кабельного паперу.
Слід врахувати, що початківці радіоаматори не зможуть відразу щільно і акуратно, виток до витка, намотувати обмотки. Тому ми приймемо, що обмотки у вікні займуть не 0,85 см, а 1 см. Якщо ж при підрахунку виявиться, що обмотки в вікні не вмістяться, тоді слід взяти пластини більшого розміру або збільшити товщину пакета пластин. Таким чином, можна буде зменшити число витків обмоток на одні вольт.
Для виготовлення трансформатора необхідні також прессшпан, фібра або гетинакс товщиною 1,5-2 мм. Для ізоляції обмоток один від одного і між шарами обмоток знадобиться лакоткань, кабельна або, в крайньому випадку, звичайна газетний папір. Лакоткань, що володіє високими ізоляційними властивостями, можна замінити декількома шарами креслярської кальки.
Виготовлення котушки трансформатора починається з виготовлення дерев'яної болванки для каркаса, сторони якої повинні бути трохи більше (на 0,5 мм) сторін стержня сердечника, а її довжина на 1,5-2 см більше довжини стрижня трансформатора.
У центр дерев'яної болванки потрібно вбити цвях без капелюшка, як показано на рис. 4.
Після цього приступають до виготовлення каркаса з прессшпана або гетинаксу зазначеної товщини, на якому робиться розмітка сторін гільзи і щік каркаса, як показано на рис. 5. Довжина каркаса повинна бути трохи менше довжини стрижня (на 1-2 мм).
Незважаючи на те що такий каркас виготовляється без клею, він при акуратному виконанні має велику міцність. Зібраний каркас (рис. 5) надівається на болванку, і в тому випадку, якщо він тримається на ній нещільно, між каркасом і болванкою слід прокласти смужку картону або обгорнути болванку декількома шарами паперу.
Якщо у радіоаматора є дриль і лещата, намотування котушки трансформатора не представляє великих труднощів. У лещатах потрібно затиснути в горизонтальному положенні дриль, в патрон якій затиснути цвях болванки. При обертанні дрилі гільза ні в якому разі не повинна бити внаслідок перекосів або ексцентриситету, так як витки будуть лягати неправильно, що утруднить процес намотування, погіршить її якість, внаслідок чого обмотка займе значно більше місця. Після того як каркас укріплений в патроні дриля, слід заготовити смужки з паперу, лакоткани або іншого ізоляційного матеріалу, ширина яких повинна бути на 4-5 мм більше відстані між щоками гільзи.
Висновки обмоток (за винятком обмоток напруження) ні в якому разі не можна робити тій же дротом, а багатожильним, добре ізольованим проводом довжиною 10-12 см, до якого припаюється намотувальний провід. Місце спайки потрібно добре ізолювати шляхом обгортання його шматочком лакоткани, зміцнити котушку з дротом, як показано на рис. 6, і приступити до намотування.
При намотуванні рекомендується обертати рукоятку дрилі правою рукою, а лікоть лівої руки класти на стіл так, щоб пальці, які тримають провід, перебували на відстані 20-30 см перед каркасом. Таким способом легше виробляти намотування виток до витка (витки рідше, збиваються).
Якщо радіоаматор не має лічильником, то після намотування кожного шару слід порахувати кількість витків в шарі і записати результат.
Вважати витки можна і так. Спочатку визначити, скільки оборотів робить патрон дрилі за один оборот рукоятки, і записувати число зроблених обертів, попередньо помноживши на отримане відношення. Наприклад: за один оборот рукоятки дрилі патрон робить 3,8 обороту, отже, за 100 оборотів, зроблених рукою під час намотування, буде намотано 380 витків.
Кожен шар намотуваним обмотки слід прокладати заготовленої смужкою паперу і уважно стежити, щоб останні витки кожного шару не провалювалися між щокою в нижній шар, так як в цьому місці можливий пробій ізоляції між шарами, який можна пояснити наступним. У нашому розрахунку вийшло, що на один вольт доводиться 5 витків, а в двох шарах високовольтної обмотки укладається 192х2 = 384 витка, отже, ефективне напруга, що діє між двома шарами, дорівнюватиме 386/5, або 77 В, а амплітудне напруга - 108 В, що при нагріванні обмоток може привести до пробою ізоляції.
Перед тим як приступити до намотування вторинних обмоток, в першу чергу високовольтної, поверх первинної обмотки слід покласти два шари лакоткани або два-три шари кабельного паперу. Всі обмотки повинні бути добре ізольовані один від одного.
Вивідні кінці обмоток слід розташовувати на будь-якій одній стороні щік котушки, в іншому випадку їх легко зіпсувати при набиванні котушки, особливо якщо пластини виготовлені з просіченням, як показано на рис. 7. Для набивання сталевими пластинами котушку кладуть на стіл, після чого одну половину пластин розташовують з правого боку котушки, а іншу з лівої. Набивка проводиться вперекришку, т. Е. Одна пластина вдвигается в котушку з правого боку, а одна на лівиці. Зазвичай готові пластини з одного боку бувають покриті лаком, тому при набиванні котушки потрібно стежити, щоб лаковані боки пластин були завжди звернені вгору або вниз. Набивання пластин потрібно проводити з максимальною щільністю, для чого перед закінченням набивання сердечник слід спресувати шляхом стиснення його в лещатах і тоді можна буде вставити ще більшу кількість пластин.
Зібраний сердечник трансформатора слід з усіх боків підбити молотком, щоб все пластини вляглися в рівну стопку, а після цього стягти сердечник шпильками.
Виготовлений трансформатор слід випробувати, включивши його в електромережу. Якщо після закінчення одного-двох годин обмотки НЕ нагріються, значить трансформатор розрахований і зроблений правильно.
Нагрівання обмотки може пояснюватися наявністю замкнутих витків (неакуратно намотування). Перед тим як трансформатор включити, необхідно перевірити, щоб вивідні кінці обмотки випадково не замкнулися між собою. Деренчання пластин сердечника вказує на нещільний збірку. В цьому випадку потрібно вставити сердечник ще кілька штук пластин і сильніше затягнути тайки на шпильках. Якщо радіоаматор має вольтметром змінного струму або авометром, слід перевірити напруги на всіх вторинних обмотках.