Výpočet transformátoru

Klasický transformátor je rozměrný a těžký. V dnešní době je často nahrazován spínaným zdrojem, který je pro stejný přenášený výkon menší a lehčí. Navíc se prodává standardizovaná řada hotových transformátorů do plošných spojů (přibližně do 30W) nebo pro upevnění na šasi. Pokud potřebujeme více vinutí nebo jiné zvláštní provedení a nechceme výrobu jednoho kusu zadávat specializované firmě, můžeme si transformátor vyrobit sami.

Transformátorové plechy se vyrábějí z křemíkové oceli o tloušťce 0,35 a 0,5 mm. Existuje několik tvarů plechů:

Plechy EI, nazývané taky úsporný řez, lze vyrábět vysekáváním bez odpadu. Jsou nejrozšířenější. Kladou se na sebe buď střídavě pro síťové transformátory, nebo shodně pro tlumivky a transformátory se stejnosměrným sycením. V takovém případě se do mezery vkládá nemagnetický materiál určité tloušťky.

Tvar EE se používá zejména u miniaturních transformátorků.

Tvar M se využívá hlavně pro tlumivky. Vzduchová mezera je vytvořena již při výrobě plechu.

Tvar LL a UI se používá u plochých transformátorů. Všechny vinutí jsou často rozděleny na poloviny.

Výrobně odlišné jsou jádra tvaru C. Transformátorový plech tvaru dlouhého pásku je svinut do tvaru obdélníku se zaoblenými rohy a příčně rozříznut. Plochy řezu se musí hladce zabrousit. Takové provedení jádra transformátoru umožňuje o polovinu vyšší sycení, tím i vyšší přenášený výkon. Vinutí jsou rozdělena na poloviny.

Podobný způsob výroby mají toroidní jádra. Jádro zůstává vcelku, má proto nejvýhodnější magnetické vlastnosti. V amatérských podmínkách je navinutí takového transformátoru velmi obtížné.

Pro výpočet transformátoru potřebujeme znát parametry všech sekundárních (výstupních) vinutí, jako požadované napětí a odebíraný proud. Vypočteme výkon jednotlivých vinutí:

Pi = Ui · Ii

Celkový výkon transformátoru je pak součtem výkonu všech sekundárních vinutí:

Pout = P1 + P2 ... + Pi

Příkon transformátoru vypočteme z jeho výkonu a účinnosti:

Účinnost transformátorů snižují zejména ztráty ve vinutí a ztráty v jádře. Celkovou účinnost transformátoru můžeme odhadnout z následující tabulky:

Výkon [VA] účinnost [%] k1 k2
1-2 70 0,89 1,13
2-5 75 0,91 1,11
5-20 80 0,93 1,08
20-75 85 0,95 1,05
75-200 88 0,96 1,04
200-600 90 0,97 1,03
600-1400 92 0,97 1,02
1400+ 93 0,98 1,02

Tabulka 1 - platí pro plechy EI, B = 1T a J = 2,5 A/mm2

Minimální průřez jádra v cm2 vypočteme:

Kde B je sycení. Pro běžné EI plechy volíme sycení 1 Tesla, pak můžeme vzorec zjednodušit:

Fyzický rozměr jádra je cca o 5% větší o izolaci a povrchovou úpravu plechů.

Dále potřebujeme vědět počet závitů na jeden volt:

Při kmitočtu sítě 50 Hz a sycení 1T je možné zjednodušit:

Do vzorce dosadíme průřez skutečného použitého jádra. Počty závitů jednotlivých vinutí vypočteme:

Ni = N · Ui · k

kde k je korekce ztrát podle tabulky

  • k1 pro primární vinutí
  • k2 pro sekundární vinutí

Průměry vodičů v mm pro jednotlivá vinutí vypočteme z procházejícího proudu:

J je proudová hustota. Pro běžnou hodnotu 2,5 A/mm2 je možné zjednodušit:

Na závěr zkontrolujeme vyrobitelnost transformátoru výpočtem plochy vinutí. Uvažujeme čtvercový průřez drátu + 50%.

Jednotlivé vinutí oddělujeme dostatečnou izolací, např. několika vrstvami kondenzátorového papíru. Hotový transformátor je vhodné impregnovat izolačním lakem.