V historii techniky často docházelo k situacím, kdy se na první pohled velmi jednoduché řešení ukázalo jako velmi obtížně realizovatelné. Uplynula desetiletí, než vzniklo zařízení, které by umožnilo výrobu kdysi vynalezeného zařízení uvést do výroby. Přesně takový osud potkal toroidní transformátory, které byly vynalezeny již v XNUMX. století, ale až nyní se rozšířily.
Nejdůležitějším prvkem každého výkonového transformátoru je magnetický obvod. Existují tři hlavní typy magnetických obvodů, které se liší tvarem: tyčové, pancéřové a toroidní.
Magnetický obvod jádra se skládá ze dvou tyčí, na kterých je odděleně umístěno primární a sekundární vinutí, konce tyčí jsou spojeny v párech pomocí třmenů. Dvě tyče a dvě třmeny dohromady tvoří obdélník, který může mít v některých případech zaoblené rohy. Střídavá magnetická pole v tyčích jsou směrována v opačných směrech, takže únik elektromagnetického záření do okolního prostoru je na relativně nízké úrovni. Tento typ magnetických jader se používá ve výkonných transformátorech instalovaných v napájecích rozvodnách.
Pancéřovaný magnetický obvod má jednu tyč, na které je umístěno primární i sekundární vinutí. Transformátor má dvě třmeny, které zakrývají tato vinutí na obou stranách. Každý, kdo někdy rozebíral vybavení domácnosti, zná pancéřový transformátor. Díky své kompaktní velikosti, snadné výrobě a vysoké mechanické pevnosti jsou široce používány v levných domácích spotřebičích. Mají ale nevýhodu – značná část energie ve formě elektromagnetického záření jde do okolního prostoru. Transformátory s pancéřovaným magnetickým jádrem jsou proto obvykle konstruovány pro výkon nejvýše 500 VA.
Toroidní magnetický obvod má tvar prstence. Vinutí jsou umístěna rovnoměrně v celém „koblihu“, jedno na druhém. Správně vyrobený transformátor s takto magnetickým jádrem prakticky nevyzařuje elektromagnetické vibrace do okolního prostoru, díky čemuž je dosaženo vysoké účinnosti, stejně jako absence parazitních elektromagnetických vlivů na ostatní prvky zařízení, pokud je zdroj zabudován- v. Transformátory s toroidním magnetickým jádrem se používají ve speciálních zařízeních, lékařských zařízeních, vysoce přesných strojích a špičkovém vybavení domácností.
Transformátory s toroidním magnetickým jádrem se často zkráceně nazývají „toroidní transformátory“.
Relevance řešení
Zájem o toroidní transformátory se v roce 2020 výrazně zvýšil v důsledku pandemie covid. Zvýšila se poptávka po lékařském vybavení, pro které jsou nejlepší volbou toroidní transformátory.
Účinnost transformátoru s pancéřovaným magnetickým jádrem o výkonu kolem několika desítek voltampérů je asi 85 %. Přitom účinnost toroidního transformátoru stejného výkonu může dosáhnout 98 %. Kromě absence elektromagnetického záření do okolního prostoru se toroidní transformátor vyznačuje kratší délkou drátu vinutí při stejném zatížení, což způsobuje nižší ztráty ve vinutích.
U lékařského vybavení je důležité, aby napájení nerušilo vysoce přesné senzory. Proto je hlavní typ napájení pro takové zařízení lineární. Není možné snížit ztráty způsobené zahřátím tranzistoru, který reguluje napětí. Je nutné zvýšit účinnost napájecího zdroje použitím vysoce účinného transformátoru. Mimochodem, absence parazitních účinků záření z transformátoru na snímače je také velkou výhodou pro použití ve zdravotnickém zařízení. Navíc do kompaktního snímače není možné instalovat objemné pouzdro, které stíní záření transformátoru s pancéřovaným magnetickým jádrem, takže toroidní transformátor je nejlepší volbou.
Obecná představa, že první transformátor použitý Michaelem Faradayem ve svých experimentech v roce 1831 byl toroidního typu, není zcela správná. Magnetické jádro tohoto transformátoru mělo skutečně prstencový tvar, ale primární a sekundární vinutí byly umístěny na diametrálně opačných stranách. Elektromagnetická pole, která vytvořili, nebyla rovnoměrně rozložena po celém obvodu. Transformátor vytvořený Faradayem proto neměl vlastnosti charakteristické pro toroidní transformátory v moderním slova smyslu.
Transformátory s pancéřovanými magnetickými jádry se nejvíce používají v napájecích zdrojích pro vybavení domácností.
Dalším moderním směrem využití toroidních transformátorů je výroba postavená na principu „Industry 4.0“. Vyžaduje to různé senzory umístěné na nejrůznějších místech výrobního provozu. Problém ochrany proti rušení je stejný jako u lékařských zařízení. Kromě toho musí být snímače lehké a kompaktní. Při stejném maximálním výkonu se toroidní transformátor ukazuje jako nejmenší a nejlehčí ve srovnání s transformátory s magnetickými jádry jakéhokoli jiného tvaru. Důvodem je, že vinutí zcela pokrývá magnetické jádro (a nejen jádro, jako u jiných typů), takže hustota magnetické indukce a tvorba tepla jsou rovnoměrně rozloženy po celé jeho délce. Ale omezení zahřívání a hustota magnetické indukce jsou důvody, které nutí konstruktéry transformátorů k výběru velkých magnetických jader.
Technologie výroby magnetického jádra
Na základě vlastností materiálů, ze kterých jsou magnetická jádra vyrobena, se dělí na laminovaná, pásová a monolitická. Laminované jsou vyrobeny z tenkých kovových plátů. Páskové jsou tenký plech svinutý do role se specifikovanými magnetickými vlastnostmi, který prošel procesem spékání při vysokých teplotách. Monolitické jsou jeden kus materiálu daného tvaru nebo 2-3 monolitické prvky vzájemně spojené během procesu montáže.
Vrstvená toroidní magnetická jádra se dnes prakticky nepoužívají, stejně jako monolitická z kovových slitin. Monolitická magnetická jádra z feritu (keramický materiál, který nevede elektrický proud, ale má výrazné magnetické vlastnosti) se používají především pro stavbu spínaných zdrojů, pracují na frekvencích řádově několika kilohertzů a vyšších. Při napájecí frekvenci 50 Hz jsou obecně neúčinné. Proto se v moderních výkonových toroidních transformátorech nejčastěji používají magnetická jádra páskového provedení.
Toroidní transformátory se používají k napájení vysoce přesných měřicích zařízení
Problém vinutí
V případě použití tyčového nebo pancéřovaného magnetického jádra jsou vinutí navinuta na jednu nebo dvě samostatné tuhé cívky z dielektrického materiálu. Stroje, které tuto operaci provádějí, mají velmi jednoduchou konstrukci. Po navinutí cívky se laminovaný magnetický obvod sestaví nebo se hotový páskový magnetický obvod uřízne, nasadí se na něj cívka (nebo dvě cívky u tyčového magnetického drátu), poté se prvky připojí zpět při zachování magnetického mezera (jejíž význam bude diskutován níže).
Proces vinutí toroidního transformátoru je mnohem složitější. Dříve se navíjení provádělo ručně nebo na strojích pracujících v poloautomatickém režimu. To vedlo k použití toroidních transformátorů pouze pro speciální zařízení, kde šlo především o dosažení nízké hmotnosti a velikosti za každou cenu. Teprve v 90. letech XNUMX. století se objevily stroje, které umožňovaly hromadnou výrobu toroidních transformátorů v plně automatickém režimu.
Pro vinutí toroidního transformátoru se používá drát o tloušťce nejvýše 6,5 mm, silnější drát není dostatečně pružný. Primární a sekundární vinutí jsou odděleny pružným dielektrickým filmem o tloušťce menší než 0,3 mm, což výrazně snižuje průrazné napětí. Z těchto důvodů mají komerčně vyráběné toroidní transformátory maximální výkon ne více než 10 kVA (na vyžádání – ne více než 50 kVA) a jsou obvykle dimenzovány pro napětí nejvýše 400 V.
Toroidní transformátory jsou široce používány v lékařských zařízeních
Další nevýhody
Transformátory s jádrem a pancéřovými magnetickými jádry lze v případě potřeby vyrobit jako třífázové v jediném zařízení (problematika jejich konstrukce je nad rámec tohoto článku). Pokud jde o toroidní magnetické jádro, každá ze tří fází vyžaduje použití samostatného transformátoru. Proto se toroidní transformátory obvykle používají v jednofázově napájených zařízeních. Přímá složka v proudu přiváděném do primárního vinutí vede k magnetizaci magnetického obvodu, změně jeho vlastností a v konečném důsledku ke snížení účinnosti a přehřívání transformátoru. Pro boj s tímto jevem je v magnetickém jádru transformátoru vytvořena magnetická mezera. Ale v přítomnosti takové mezery ztrácí toroidní transformátor své přirozené výhody a stává se z hlediska parametrů na stejné úrovni jako u jiných podobných zařízení. Vzhledem k vyšším nákladům na toroidní transformátor není tento přístup ekonomicky životaschopný. Proto je tento typ zařízení vždy vyroben bez magnetické mezery a snáší vyšší požadavky na kvalitu napájení.
Závěry
Při aplikaci na napájecí zdroje pro domácí spotřebiče si toroidní transformátory zachovají místo pro elitní zařízení. Ale v sériově vyráběných zařízeních se dnes častěji používají spínané zdroje, pro které již není tak důležitý návrh magnetického obvodu. Toroidní transformátory se pravděpodobně neobjeví ve výkonných napájecích rozvodnách, dokud nebudou vytvořeny zásadně nové materiály pro vodiče a izolaci.
Přesto lze u nás očekávat nárůst poptávky po toroidních transformátorech, s čímž jsou spojeny dva úkoly stanovené na úrovni státu. Nejprve je nutné odstranit závislost na dováženém zdravotnickém zařízení. A za druhé, oživit celá průmyslová odvětví, ale na novém technologickém základě, což umožní zavedení konceptu „Průmysl 4.0“. K vyřešení obou problémů budou zapotřebí toroidní transformátory domácí výroby. Je zde něco k zamyšlení pro obchodníky, kteří chtějí investovat do výroby elektrických produktů.
Zdroj: Nikolay Pudelyakin, publikované v časopise „Electrotechnical Market“ č. 6 (108), 2022
Přihlaste se k odběru Elec.ru. Jsme v Telegramu, VKontakte a Odnoklassniki
transformátory (jako toroidní transformátor) Součástky jsou široce používány v mnoha zařízeních. Zejména ty, které používají stejnosměrný proud, protože umožňují přejít z vysokého napětí elektrické sítě, ke které jsou tato zařízení připojena, k nižším napětím, při kterých obvykle pracují (12 V, 5 V, 3.3 V), a jsou poté převedeny ze střídavého proudu. v CC pomocí zbývajících stupňů napájení.
Jeho důležitost je taková, že byste to měli vědět jak to funguje tento typ transformátorů a jejich použití a kde a jak si můžete jeden z nich koupit pro své projekty atd. Všechny pochybnosti vyřeší tento průvodce.
Co je to transformátor?
Un transformátor Jedná se o prvek, který umožňuje přecházet ze střídavého napětí na jiné. Dokáže také převádět proud. V každém případě bude vždy udržovat konstantní frekvenci a sílu signálu. Tedy izofrekvence a izovýkon.
Tento poslední parametr je nesprávný, byl by v ideálním teoretickém převodníku, protože v praxi existuje ztráty ve formě tepla, jeden z největších problémů s těmito součástmi. Proto přešel od používání pevných železných jader k jejich laminování (plechy z křemíkové oceli s izolací mezi nimi), aby se snížily vířivé proudy neboli bludné proudy.
K dosažení svého účelu se elektřina dodávaná přes vstupní vinutí přemění na magnetismus díky vinutí a kovovému jádru. Magnetismus protékající kovovým jádrem pak indukuje proud nebo elektromagnetickou sílu v sekundárním vinutí, aby na jeho výstupu vytvořil specifikovaný proud. Vodivý drát vinutí má samozřejmě jakýsi izolační lak, takže ač jsou navinutá, nejsou ve vzájemném kontaktu.
Chcete-li převést jedno napětí na druhé, musíte si pohrát s počtem závitů nebo závitů měděného drátu v primárním a sekundárním vinutí. Podle Lenzův zákon, proud musí být střídavý, aby k této změně magnetického toku došlo, takže transformátor nemůže pracovat se stejnosměrným proudem.
Jak můžete vidět na obrázku výše, postoje Mezi cívkami je napětí a intenzita velmi jednoduché. Kde N je počet závitů vinutí (P = primární, S = sekundární) a V je napětí (P = přivedené na primární vinutí, S = výstup sekundárního vinutí) nebo I, rovné proudu.
Na příklad, Představte si, že máte transformátor s 200 cívkami v primáru a 100 cívkami v sekundáru. Je do něj přiváděno vstupní napětí 200 V. Jaké napětí se objeví na výstupu sekundáru? Velmi jednoduché:
To znamená, že převádí 220V vstup na 110V výstup. Ale pokud je počet závitů v primárním a sekundárním vinutí obrácený, stane se opak. Představte si například, že na primární vinutí je přivedeno stejné primární napětí 220 V, ale primární vinutí má 100 závitů a sekundární vinutí má 200 závitů. NA investovat je:
Jak vidíte, v tomto případě se napětí zdvojnásobí.
Co je to toroidní transformátor?
Vše, co se říká o běžném transformátoru, platí i pro toroidní transformátor, i když má některé další funkce a některé výhody. Ale princip fungování a výpočty vám pomohou pochopit, jak to funguje.
V geometrii je torid rotační povrch tvořený polygonem nebo jednoduchou uzavřenou rovinnou křivkou, která se otáčí kolem koplanární vnější čáry, se kterou se neprotíná. Tedy zjednodušeně řečeno jde o typ prstenu, donutu nebo hula hoopu.
Toroidní transformátor zaručuje menší únikový tok i ztráty způsobené drobné vířivé proudy než u běžného transformátoru. Takto poběží chladněji a budou efektivnější a také budou kompaktnější díky svému tvaru.
Jako běžné transformátory by mohly mít více než dvě vinutí, což bude mít za následek stejnou vstupní cívku a více výstupních cívek, z nichž každá může být převedena na jiné napětí. Představte si například, že existují dva z nich: jeden od 220 do 110 V a druhý od 220 do 60 V, což je velmi výhodné pro napájecí zdroje, které vyžadují několik různých napětí.
V tomto případě místo generování magnetické pole Uvnitř čtvercového kovového jádra v torusu jsou vytvořeny soustředné kruhy. Mimo něj bude pole nulové, síla tohoto pole bude záviset i na počtu otáček.
Další funkcí je pole není to jednotné, nejsilnější na vnitřní straně prstenu a nejslabší na vnější straně. To znamená, že pole se bude s rostoucím poloměrem zmenšovat.
Отношения мощность vstupní a výstupní výkon se liší v závislosti na velikosti a provozních podmínkách, ale téměř vždy bývá vyšší než u konvenčních transformátorů. Také, protože odporové ztráty transformátoru jsou způsobeny měděným drátem cívek a ztrátami jádra a toroid má menší ztráty, bude to účinnější, jak jsem naznačil dříve.
aplikace
Las- aplikace nebo použití jsou podobné běžným transformátorům. Toroidní transformátor je obvykle více využíván v odvětví telekomunikací, hudebních nástrojů, lékařských přístrojů, zesilovačů atd.
Výhody a nevýhody
Jako vždy má toroidní transformátor své výhody, ale také nevýhody. Mezi výhody zahrnout:
- Jsou efektivnější.
- Se stejnou indukčností jako konvenční solenoid bude toroid vyžadovat méně otáček, takže je kompaktnější.
- Tím, že mají v sobě omezené magnetické pole, mohou být umístěny v blízkosti jiných elektronických součástek bez rušení nežádoucími indukčnostmi.
Mezi Omezení jsou:
- Jejich start je obtížnější než u běžných.
- Zde je také složitější se naladit.
Kde koupit toroidní transformátor
Najdete je téměř kdekoli obchod s elektronikou specializované, nebo jej můžete získat také od Amazonu. Zde je například několik doporučení:
Jak jste viděli, jsou různé VA, 100VA, 300VA atd. Tato hodnota se vztahuje k maximálnímu povolenému zatížení. A měří se ve voltech na ampér.
Obsah článku je v souladu s našimi zásadami redakční etiky. Chcete-li nahlásit chybu, klikněte sem.
Celá cesta k článku: Bezplatné vybavení » Elektronické součástky » Toroidní transformátor: vše, co potřebujete vědět
