Как сделать трансформатор 220 на 12 вольт своими руками

Для того чтобы понизить напряжение промышленной сети, используются трансформаторы 220 на 12 вольт. Такое значение амплитуды необходимо для питания различной техники, в том числе и осветительных приборов. Понижающий трансформатор может располагаться непосредственно в блоке питания или быть выполнен как отдельное устройство. Этот радиоэлектронный элемент можно приобрести в специализированных магазинах, но при желании несложно изготовить и своими руками.

Суть работы устройства

Трансформатор — это электронное устройство, использующееся для преобразования переменного сигнала одной амплитуды в другую без изменения частоты. Сложно найти электротехническое оборудование, которое бы не содержало в своей схеме такое изделие. Оно является ключевым звеном в передаче энергии от одной части цепи к другой.

Появление трансформатора стало возможным после изобретения индукционной катушки в 1852 году механиком из Германии Румкорфом. Его устройство было похоже на катушку для наматывания ниток, но вместо последних использовалась проволока. Внутри катушки располагалась другая такая же конструкция. При подаче тока на нижнюю катушку фиксировалось напряжение и на верхней. Объяснялось это явлением, названным индуктивностью.

Кто точно изобрёл трансформатор, доподлинно неизвестно. В 1831 году Фарадей, проводя эксперименты, обнаружил, что в замкнутом контуре при изменении магнитного поля возникает электричество. Он также нарисовал примерную схему, как должен выглядеть трансформатор. Используя в 1876 году стальной сердечник и две катушки, русский учёный Яблочков фактически изготовил прообраз современного устройства. При подаче тока на одну из них он наблюдал возникновение магнитной индукции, приводящей к появлению тока на другой. При этом напряжение на катушках было разным из-за отличающегося количества витков.

Появление такой конструкции подтолкнуло других учёных к исследованиям, в результате которых появилась технология изготовления современного трансформатора.

Принцип действия

Современная промышленность выпускает трансформаторы, отличающиеся как по внешнему виду, так и по характеристикам. Но их всех объединяет принцип действия и пять элементов конструкции. Чтобы понять, как работает понижающий трансформатор с 220 на 12 вольт, необходимо знать эти основные части изделия. К ним относятся:

1. Сердечник. По-другому его называют магнитопровод. Его назначение проводить магнитный поток. По виду исполнения сердечники делятся на три группы: плоскостные, ленточные, формованные. Изготавливают из электротехнической стали, феррита или пермаллоя, то есть материалов, имеющих способность к высокой намагниченности и обладающих проводящими свойствами.
2. Обмотки. Представляют собой токопроводящую проволоку, намотанную витками. В качестве материала для её изготовления используется медь или алюминий.
3. Каркас. Служит для намотки на него обмоток, изготавливается из изоляционного материала.
4. Изоляция. Защищает катушки от межвиткового замыкания, а также их непосредственного контакта с токопроводящими частями конструкции. Чаще всего используется лак, клипперная лента, лакоткань.
5. Монтажные выводы. Для предотвращения обрыва обмоток во время монтажа в конструкции делаются специальные выводы, позволяющие подключать к трансформатору источник питания и нагрузку.

Основной частью обмотки является виток. Именно из-за него и создаётся магнитная сила, впоследствии приводящая к появлению электродвижущей (ЭДС).

Таким образом, трансформатор представляет собой замкнутый контур (сердечник) на котором располагаются катушки (обмотки). Их количество может составлять от двух и более штук (исключение автотрансформатор). Катушка, подключаемая к источнику питания, называется первичной, а которая соединяется с нагрузкой — вторичной.

При подключении к источнику переменной энергии через первичную обмотку устройства начинает протекать изменяющийся во времени ток (синусоидальный). Он создаёт переменное электромагнитное поле. Линии магнитной индукции начинают пронизывать сердечник, в котором происходит их замыкание. В результате на намотанных витках вторичной катушки индуцируется ЭДС, создающая ток при подключении выводов к нагрузке.

Характеристики и виды изделия

Разность потенциалов, возникающая между выводами вторичной обмотки, зависит от коэффициента трансформации, определяющегося отношением количества витков вторичной и первичной катушки. Математически это можно описать формулой: U2/U1 = n2/n1 = I1/I2, где:

• U1, U2 — соответственно разность потенциалов на первичной и вторичной обмотке.
• N1, N2 — количество витков первичной и вторичной катушки.
• I1, I2 — сила тока в обмотках.

По виду сердечника трансформаторы на 12 В разделяются на кольцевые, Ш-образные и П-образные. По конструктивному же исполнению они бывают: броневыми, стержневыми и тороидальными (кольцевыми). Стержневой тип собирается из П-образных пластин. На броневом виде используются боковые стержни без обмоток. Этот вид самый распространённый, так как обмотки надёжно защищены от механических повреждений, хотя при этом эффективность охлаждения уменьшается.

Тороидальный же трансформатор обладает самыми лучшими характеристиками. Его конструкция способствует хорошему охлаждению. Эффективное распределение магнитного поля увеличивает КПД изделия. Этот тип является самым популярным среди радиолюбителей, так как простота конструкции позволяет быстро его разбирать и собирать. Например, очень часто, именно на базе тора делают самодельные мощные сварочные аппараты.

К основным параметрам изделия относят:

1. Мощность. Обозначает величину энергии, передающуюся через устройство, не приводя к его повреждению. Определяется толщиной провода, используемого при намотке катушек, а также размеров магнитопровода и частоты сигнала.
2. КПД. Определяется отношением мощности, затрачиваемой на полезную работу к потребляемой.
3. Коэффициент трансформации. Определяет способ преобразования.
4. Количество обмоток.
5. Ток короткого замыкания. Определяет максимальную силу тока, которую может выдержать устройство без перегорания обмоток.

Самостоятельное изготовление

Конструкция трансформатора довольно простая, поэтому его несложно сделать своими руками. Но перед тем как приступить непосредственно к его изготовлению необходимо не только подготовить материал и инструменты, но и выполнить предварительный расчёт.

Как сделать понижающий трансформатор своими руками можно рассмотреть на конкретном примере. Пускай стоит задача изготовить преобразователь с 220 В до 12 в с выходным током 10 А.

Сердечник самостоятельно вряд ли получится сделать, поэтому лучше воспользоваться ненужным трансформатором любого типа. Его понадобится аккуратно разобрать и извлечь оттуда «железо».

На следующем этапе стоит изготовить каркас. Можно использовать различные материалы, например, стеклотекстолит. Для его расчёта можно воспользоваться программой Power Trans. При этом стоит отметить, что хотя это приложение умеет рассчитывать также и количество витков, для этих целей лучше её не использовать, из-за не совсем корректных результатов.

В программе можно выбрать тип сердечника, а также задать сечение сердечника, окна и мощность изделия. Затем нажать расчёт и получить готовый чертёж с размерами. Далее, останется перенести рисунок на текстолит и вырезать нужное количество деталей. После того как все элементы подготовлены они собираются в каркас.

Теперь можно переходить к заготовке изолирующих прокладок. Они будут необходимы для изолирования слоёв друг от друга. Вырезаются они полосками из лакоткани, фторопласта, майлара или даже плотной бумаги, например, которую используют для выпечки. Важно отметить, что ширина полоски делается на пару миллиметров больше, при этом размечать линии реза графитовым карандашом не рекомендуется (графит проводит ток).

На последнем этапе готовится провод. Так как будет необходимо намотать трансформатор 220 В 12 В 10а, то есть понижающий, вторичная катушка будет выполняться толстым проводом, а первичная тонким.

Расчёт конструкции

Расчёт конструкции начинают с нахождения мощности, которую должна выдерживать вторичная обмотка. Подставив в формулу: P = U * I, заданные условиям b значения для вторичной катушки, получится: P 2 = 12*10 = 120 Вт. Приняв, что КПД изделия будет около 80% (среднее значение для всех трансформаторов) можно определить первичную мощность: P = P 2/0,8 = 120/0,8 = 150 Вт.

Исходя из того, что мощность передаётся через сердечник, то величины P1 будет зависеть сечение магнитопровода. Находится сечение сердечника из выражения: S = (P 1)^½ = 150 = 12.2 см². Теперь можно найти и необходимое количество витков в первичной обмотке для получения одного вольта: W =50/ S = 4.1. То есть для напряжения 220 вольт потребуется намотать 917 витков, а для вторичной — 48 витков.

Ток, протекающий через первичную катушку, будет равен: I = P / U = 150/220 = 0,68 А. Отсюда диаметр провода первичной обмотки вычисляемый по формуле: d = 0,8*(I)^½ будет 0,66 мм, а для вторичной — 2,5 мм. Площадь же поперечного сечения можно взять из справочных таблиц или рассчитать по формуле: S = 0,8* d ². Она соответственно составит — 0,3 мм² и 5 мм².

Если вдруг провод такого сечения трудно достать, то можно использовать несколько проводников соединённых друг с другом параллельно. При этом их суммарная площадь сечения должна быть немного больше расчётной.

Техника намотки

Для намотки изделия сделанный каркас необходимо зажать на оси и отцентровать. Проволку предварительно лучше намотать на какой-либо цилиндрический предмет. Например, катушку ниток или отрезок трубы. Напротив зажатого каркаса ставится катушка с проволокой. Проволока заводится на основание и выполняется несколько оборотов вокруг него. Затем начинают вращать корпус каркаса. При этом следует внимательно следить, чтобы каждый виток ложился рядом с другим, а не пересекал его. После каждого слоя наносится два витка изоляции.

Как только первична обмотка будет намотана, проволоку необходимо вывести в сторону для формирования вывода. Остаток проволоки отрезается. Перед нанесением вторичной обмотки прокладывается несколько слоёв изоляции и повторяется весь процесс, но уже с проводом более толстого сечения. По окончании работ свободные концы катушек распаиваются к клеммам. С помощью тестера катушки проверяются на разрыв.

Существуют некоторые нюансы при намотке которые желательно знать. Во время намотки может случайно порваться провод. В этом случае понадобится зачистить оборванные концы, скрутить их и спаять. Место пайки тщательно заизолировать, например, подложив два слоя изоляционной бумаги. При намотке для увеличения электрической прочности изделия рекомендуется выполнять пропитку каждого слоя. Это предотвращает вибрацию провода. В качестве пропитки используются лаки на эпоксидной основе или акриле.

Теперь останется только подключить трансформатор с 220 на 12 к источнику питания. Соединение с ним происходит по параллельной схеме. С помощью мультиметра можно проконтролировать выходное напряжение. Для этого он переключается в режим измерения переменного сигнала.

Если в дальнейшем необходимо получить постоянный сигнал, то к вторичной обмотке трансформатора подключается диодный мост (выпрямитель) с электролитическим конденсатором (сглаживающий фильтр). Но при этом следует учесть, что для тока 10 ампер понадобится соответственный и выпрямительный блок, способный выдержать такую силу тока с запасом порядка 15%.

Таким образом, самостоятельно изготовить понижающий трансформатор сможет даже начинающий радиолюбитель. Главное при этом выполнить правильный расчёт. А изготовленное изделие наверняка найдёт своё применение.