Trafo's
Transformatoren, die voor elektrische apparaten worden gebruikt, moeten aan bepaalde voorwaarden voldoen. Deze voorwaarden worden meestal in de bouwbeschrijving at aangegeven. Vaak is het zo, dat trafo's uit 'ekstra speciale' aanbiedingen of slooptrafo's gebruikt zouden kunnen worden voor het beoogde doel, wanneer de vrijetijdselektronikus zich bewust zou zijn van de bruikbaarheid van de trafo. In dit artikel worden een aantal tips en aanwijzingen gegeven, die in dit opzicht van dienst kunnen zijn.
Kern en wikkeling
Voor alles dient te worden opgemerkt, dat alle hier besproken trafotypen enkelfazige nettransformatoren zijn (d.w.z. er is maar eon primaire wikkeling van 220 V eventueel gesplitst in twee van 110 V). De voornaamste bestanddelen zijn de kern en de windingen. De trafokern bestaat uit een ijzerlegering in de vorm van gelamelleerd blik; de dikte van de lamellen ligt in de meeste gevallen tussen 0,35 en 0,5 mm; ze zijn tenminste eenzijdig voorzien van isolatiemateriaal, dat de lamellen elektrisch isoleert ten opzichte van elkaar ter vermindering van wervelstromen in de kern en de daardoor optredende verliezen.
Het vermogen, dat door een transformator kan worden overgebracht, hangt van de kerndoorsnede en diens samenstelling af, waarbij zowel de chemische samenstelling (legering) als de voorafgaande behandeling van het blik (bv. walsen) een niet onbelangrijke rol spe. len. De verschillende bliksoorten worden gerangschikt naar hun eigenschappen; het zou echter helemaal buiten het kader van dit artikel vallen, hier nader op in te gaan. Voor het dagelijkse gebruik is het voldoende om te weten, dat in 95 van de 100 gevallen een bliksoort gebruikt is, die de aanduiding 'Dynamoblik IV' draagt. Alle gegevens, die in de loop van dit artikel opgesomd worden, hebben betrekking op deze bliksoort. Nettransformatoren kunnen worden opgebouwd uit kernen met twee of met drie benen. Als een bizonder klein strooiveld vereist is, zijn ringkernen de aangewezen oplossing. In figuur 1 zijn een paar verschillende vormen van trafokernen weergegeven met de benamingen van de verschillende delen. Bij kernen met twee benen kunnen beide benen bewikkeld zijn, maar dit hoeft niet altijd zo te zijn. Een kern, waarvan beide benen bewikkeld zijn, wordt in de regel 'kerntransformator' genoemd. Een voordeel is het geringe uitwendige strooiveld. Bij kernen met 3 benen draagt alleen het middelste been wikkelingen, de beide 'buitenbeentjes' vormen samen met het juk een mantel, die de wikkeling omsluit. Deze trafo wordt daarom ook wel 'manteltransformator' genoemd. De vorm van het blik voor laatstgenoemde transformatoren is genormaliseerd; afmetingen, die buiten deze norm vallen, komen slechts in uitzonderingsgevallen voor.
Figuur 1. Tweebeenskern (a), driebeenskern (b) en ringkern (c).
Van de trafo's in tweebeensuitvoering is in het kader van dit artikel alleen de 'Philbert'-transformator van belang. Deze trafo, die een uitzonderlijk klein strooiveld heeft, is onmiddellijk herkenbaar aan het brede juk. De kernen voor deze transformatoren bestaan of geheel uit Pu-lamellen (figuur 2a) of uit Pi-blik (figuur 2b). Uit figuur 2a blijkt, dat alle afmetingen in een bepaalde vaste verhouding tot de beenbreedte A staan. Figuur 2c illustreert het reeds genoemde, bizonder geringe strooiveld van dit type kern. Bij het bouwen van manteltransformatoren worden in hoofdzaak twee blikvormen gebruikt, n.l. M-(figuur 3a) en E/Ivormig (figuur 3b). E/I-blik heeft bij de fabrikage als voordeel, dat er geen afval ontstaat; dit blijkt uit figuur 4a. Beide transformatortypen hebben een overeenkomstig strooiveld, dat ongeveer verloopt, zoals in figuur 4b is getekend. De task van de kern is, om voor een vaste magnetische koppeling van de wikkelingen onderling te zorgen.
Figuur 2. De Philbert-trafo met relatief klein strooiveld. Pu-kern (a) en P1-kern (b) met bijbehorend strooiveld (c).
Figuur 3. De aanduiding M-kern (a) en E/I-kern (b) werd gekozen vanwege de gelijkenis met de genoemde letters.
Figuur 4a. Bij het gelijktijdig stanzen 'van twee stukken E-vormig blik ontstaan automatisch twee 1-vormige: er ontstaat dus geen uitval.
Figuur 4b. Her strooiveld van een trafo kan tot bromstoringen Leiden als het inwerkt op bizonder gevoelige, laagfrekwente schakelingen.
Wikkelingen
De primaire en de sekundaire wikkelingen zijn op een wikkellichaam van isolerend materiaal aangebracht; hierbij ligt de primaire wikkeling binnen, de sekundaire buiten. Dunner gezaaid zijn wikkellichamen, die in aparte wikkelkamers zijn verdeeld. De wikkelingen zijn door kunststoffolie of oliepapier ten opzichte van elkaar gersoleerd, bij hoogwaardige transformatoren wordt deze isolatie zelfs tussen iedere gewikkelde laag of meerdere wikkellagen aangebracht. Ook treft men sours tussen primaire en sekundaire wikkeling een ekstra wikkeling aan, die dient voor de elektrische scheiding (afscherming) tussen de primaire en de sekundaire wikkeling. Deze afscherming bestaat uit een laag koperfolie, die aan massa ligt, of uit een laag koperdraad, waarvan een eind naar buiten gevoerd en aan massa gelegd wordt.
Vermogen
Het vermogen, dat door een trafo kan worden overgedragen, hangt allereerst of van de hoeveelheid ijzer, die de kern bevat. Een kleinere rol spelen andere variabelen, zoals de ijzerlegering en de vorm van de kern. Voor de vrijetijdselektronikus is in eerste instantie belangrijk, om aan de hand van de afmetingen te bepalen, of de transformator het gewenste vermogen wel kan leveren. Tabel 1 geeft het bij de afmetingen van M-kernen behorende vermogen, terwij1 tabel 2 hetzelfde doet voor E/I-kernen. (Het in deze tabellen aangegeven vermogen geldt voor Dynamoblik IV). Het eerste probleem kan dus op eenvoudige wijze met een maatlat worden opgelost. Daar de verliesvrije overdracht van vermogen nog steeds niet is ontdekt, moet bij het overbrengen van vermogen in de transformator met verliezen rekening worden gehouden. Voor het vaststellen van het primair opgenomen vermogen moet daarom ook het sekundaire vermogen met een faktor 1,2 worden vermenigvuldigd, of, in formulevorm Pprim = 1,2 × Psek.
| Type | M 42 | M 55 | M 65 | M 74 | M 85a | M 85b | M 102a | M 102b |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| buitenmaat a,b (in mm) | 42 | 55 | 65 | 74 | 85 | 85 | 102 | 102 |
| blikpakkethoogte (in mm) | 15 | 20 | 27 | 32 | 32 | 45 | 35 | 52 |
| maks. sek. trafovermogen (W) | 4 | 12 | 25 | 40 | 65 | 85 | 100 | 150 |
| Type | E/I 42 | E/I 48 | E/I 54 | E/I 66 | E/I 78 | E/I 84 | E/I 96 | E/I 120a |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| buitenmaat a (in mm) | 42 | 48 | 54 | 66 | 78 | 84 | 96 | 120 |
| buitenmaat b (in mm) | 35 | 40 | 45 | 55 | 65 | 70 | 80 | 100 |
| pekkethoogte(in mm) | 14 | 16 | 18 | 22 | 26 | 28 | 32 | 40 |
| maks. sek. trafovermogen (W) | 2,5 | 5,5 | 9,5 | 22 | 50 | 65 | 110 | 220 |
Maar dit is nog niet alles; ook voor het bepalen van het sekundaire vermogen gelden enige beperkingen; deze betreffen allereerst de manier van gelijkrichting, de gebruikte gelijkrichterschakeling.
Bij de enkelfazige gelijkrichting (figuur 5a) wordt telkens maar een helft van de sinusvorm gelijkgericht, terwijl bovendien de kern wordt gemagnetiseerd door de gelijkstroom, die in de wikkeling vloeit. Bij dubbelfazige gelijkrichting volgens figuur 5b is de middenaftakking de nulspanning. Vanuit dit punt gezien bestaat de schakeling uit twee wikkelingen, MA en MB, die in tegengestelde richting zijn gewikkeld. Vanwege de tegengestelde wikkelrichting treden aan de wikkelingen respektievelijk de spanningen U1 en U2 op, die in grootte gelijk zijn, maar tegengesteld in faze, waardoor afwisselend D1 geleidt bij de positieve halve periode van U1 en D2 bij de positieve halve periode van U2. De magnetiserende werking van de beide gelijkstromen heffen elkaar weliswaar op, maar de kapaciteit van de sekundaire wikkelingen wordt slechts gedeeltelijk benut.
Figuur 5. De drie verschillende gelijkrichtschakelingen hebben een verschillende invloed op de dimensionering van de te gebruiken trafo.
De meest gunstige oplossing met het oog op de te verwachten verliezen, biedt de Graetz- of bruggelijkrichterschakeling, die in figuur 5c is getekend. De sekundaire kant bestaat maw. uit een wikkeling, de beide sinushelften worden volledig benut en er ontstaat geen magnetisatie door een in de wikkeling vloeiende gelijkstroom.
Konklusie:
Het uiteindelijk benodigde vermogen aan gelijkstroom moet nog met een verliesfaktor worden vermenigvuldigd, die van de snort van gelijkrichting afhangt, en die bij:
- enkelfazige gelijkrichting 2,3
- dubbelfazige gelijkrichting 1,8
- bruggelijkrichting 1,4
bedraagt. Dit betekent dus, dat het berekende gelijkstroomvermogen met een van bovengenoemde faktoren moet worden vermenigvuldigd, om het sekundaire trafovermogen te verkrijgen. Natuurlijk gaat deze redenering niet op, als een wikkeling wordt gebruikt voor by. het voeden van een gloeilampje met wisselstroom.
Al meerdere malen werd in het voorafgaande gesproken over het 'berekende wisselstroomvermogen', zonder dat hierop nader werd ingegaan. Snelle denkers zullen nu zeggen: 'Mijn versterker heeft een voedingsspanning van 12 V en verbruikt maksimaal 1,5 A. Dat is 18 W gelijkstroomvermogen. Ik gebruik een Graetzbrug als gelijkrichterschakeling en moet daarom 18 W met 1,4 vermenigvuldigen, dit levert 25,2 W. Volgens tabel 1 voldoet een kern M65 nog juist, vooral omdat het gewenste vermogen niet als kontinuvermogen voorkomt'.
Deze rekenwijze is in principe wel juist, maar in de praktijk gaat zij meestal niet op. Als er namelijk gebruik wordt gemaakt van een gestabiliseerde voeding, dan moet de 'verliesrekening' nog aangevuld worden met twee posten. Ten eerste moet men rekening houden met de verliezen van de stuurschakeling, die parallel met de last is geschakeld. Bij grotere vermogens is dit weliswaar te verwaarlozen, maar bij de kleinere uitgangsvermogens kan dit een aanzienlijk deel van het totale vermogen zijn.
Veel groter is echter het door de serietransistor van de stabilisatieschakeling opgenomen vermogen. Om deze reden moet dan ook, hoe de stabilisatieschakeling er dan ook mag uitzien, het aan de laadkondensator CL benodigde vermogen als uitgangspunt worden gekozen!
Speurwerk
Menige trafo, die overgebleven is uit de buizentijd, zou geen triest bestaan op de bodem van de 'lijkenkist' hoeven te voeren, als de eigenaar maar zou weten, hoe deze trafo aangesloten zou moeten worden. In dat geval zou zo'n trafo by. kunnen dienen als voedingsleverancier voor een digitate frekwentieteller met nixiebuizen. Er volgen nu een aantal wenken, die nuttig kunnen zijn bij de identifikatie van dergelijke trafo's.
Voorbeeld: Allereerst wordt met een Ohm-meter onderzocht, welke aansluitdraden bij elkaar horen en dus een wikkeling vormen. De gemeten weerstandswaarden worden opgeschreven. Voor het voorbeeld in figuur 6 blijkt dan, dat de aansluitingen a en b, c en d, e en f telkens tot eon wikkeling behoren. Dikwijls kan aan de Jigging van de aansluitdraden in de doorvoeringen van het wikkellichaam de positie van de wikkelingen worden vastgesteld. In de regel is de binnenste wikkeling tevens de primaire, in figuur 6 dus a en b. Dit moet later nog worden geverifieerd. Verder mag men amine-men, dat de wikkeling c,d vanwege draaddiameter en weerstand de anodewikkeling is. De dikste draden (e en f), waartussen ook de kleinste weerstand wordt gemeten, vormen samen vrijwel zeker de gloeidraadwikkeling, die in de meeste gevallen een spanning van 6,3 V heeft.
Figuur 6. De positie van de aansluitdraden kan informatie geven over de aard van de wikkeling (zie tekst).
Deze laatstgenoemde gloeidraaiwikkeling dient nu voor het bewijzen van de vermoedens. Voor het leveren van dit bewijs kan de schakeling uit figuur 7 worden gebruikt. Vanuit de 6,3 V-wikkeling van een bekende transformator wordt de vermoedelijke 6,3 V-wikkeling van de onbekende trafo gevoed; aan de andere aansluitingen wordt nu de wisselspanning gemeten. Als er tussen a en b 220 V wordt gemeten (met maksimaal 10% afwijking), dan heeft men vrijwel de absolute zekerheid, dat dit de primaire wikkeling is. De wikkeling a,b kan nu op het lichtnet worden aangesloten. Bij het meten van de spanningen aan de andere wikkelingen moet er rekening mee gehouden worden, dat de onbelaste spanning ongeveer 10% hoger ligt, dan de spanning onder normale belasting. Als alle vermoedens bewaarheid worden, bedraagt de spanning tussen e en f ongeveer 7 Volt, de spanning tussen c en d kan dan tussen 200 V en 300 V liggen, afhankelijk van de vroegere toepassing.
Figuur 7. Hulpschakeling voor het identificeren ran onbekende trafo's.
Bij volkomen onbekende trafo's probeert men op precies dezelfde miner achter alle gegevens te komen, als men maar zekerheid heeft, dat het om een lichtnettrafo gaat. De dikste wikkeling wordt weer uit de bekende 6,3 Vwikkeling gevoed. Als dan de binnenste wikkeling ruimschoots van 220 V afwijkt, dan kan dit twee redenen hebben: of de dikke '6,3 V-wikkeling' is niet voor deze spanning gewikkeld, of de binnenste wikkeling is niet de netwikkeling. Dit laatste is echter bizonder onwaarschijnlijk. Men moet nu het risiko nemen en de binnenste wikkeling op 220 V aansluiten, om de andere spanningen te kunnen meten. Als de trafo nu begint te knetteren of te brommen of zeer snel beet wordt en dan begint te stinken (naar Ampere), dan is het zaak, de testprocedure zo snel mogelijk of te breken. Het heeft verder weinig zin, deze trafo verder te onderzoeken, daar hij voor het beoogde doel hoogstwaarschijnlijk ongeschikt is. Mocht het eksperiment wel met sukses verlopen, dan is er nog steeds geen zekerheid over de bruikbaarheid, omdat nog moet worden opgemeten, welke stromen door de verschillende wikkelingen kunnen worden geleverd. Het is daarom noodzakelijk, om met een mikrometer of een schuifmaat de draaddiameter te bepalen. Het diagram van figuur 8 laat de samenhang tussen draaddiameter (in mm) en stroomsterkte (in A) zien voor de verschillende stroomdichtheden (in A/mm2). Gaat men van de gebruikelijke stroomdichtheid van 2,55 A/mm2 uit, dan kan uit figuur 8 worden afgelezen, dat een draad van 1 mm diameter maksimaal 2 A stroom kan leveren. Deze gegevens gelden voor blank koperdraad. Voor geemailleerd koperdraad moet de gemeten diameter verminderd worden met 0,03 tot 0,05 mm, de dikte van de lak. Bij draaddiameters boven 0,5 mm kan de dikte van lak worden verwaarloosd. De identifikatie van de trafo wordt afgesloten met het op de juiste plaats opplakken van een etiket, waarop de gevonden gegevens bij de wikkelingen worden geplaatst.
Figuur 8. Samenhang tussen draaddiameter en stroomsterkte voor verschillende stroomdichtheden.
Omwikkelen
Voor de handige hobbyist zal het geen onoverkomelijk probleem zijn, om de sekundaire wikkeling van een lichtnettrafo, afhankelijk van zijn behoefte, om te wikkelen. Van te voren moet echter opgemerkt worden, dat buiten de eventuele 'arbeidsvreugde' het omwikkelen een dusdanig karwei is, dat het nauwelijks de moeite waard is. Voor degenen, die het ondanks dat toch niet kunnen laten, volgen nu een aantal tips, die echter niet pretenderen, een stipt op te volgen gebruiksaanwijzing of zelfs een basis voor berekeningen te zijn.
Als men een trafo wil omwikkelen, dan moet allereerst het spoellichaam vrijgemaakt zijn. Gaat het om een ingegoten trafo, dan is de onderneming gedoemd, om te mislukken, is dit niet het geval, dan begint de demontage met het verwijderen van de schroeven en de hoekijzers. De wig, die tussen blik en spoellichaam zit, wordt voorzichtig uitgeklopt, waarna het uitnemen van het blik kan beginnen. Bij een M-kern moet ieder stuk blik apart zover omhooggebogen worden, dat het uit het spoellichaam kan worden geschoven. E/I-kernen leveren bier helemaal geen problemen. Bij de demontage zal onmiddellijk blijken, dat het blik om en om gestapeld is, dat wil zeggen, dat de luchtspleet afwisselend op de ene en op de andere kant ligt.
Als dit is gebeurd, kan de onbruikbare wikkeling worden verwijderd, om plaats te maken voor de nieuwe wikkeling. Als de oude wikkeling relatief weinig windingen heeft, dan worden ze bij het afwikkelen geteld; als de spanning van de wikkeling bekend was, kan op eenvoudige wijze het aantal windingen per Volt worden bepaald:
Als het echter gaat om een wikkeling, waar veel windingen van dunne draad op liggen, dan leidt het tellen meestal tot verwarring. In dat geval is het beter, de hoeveelheid nieuw te leggen windingen aan de hand van figuur 9 te bepalen. Dit diagram geeft voor de verschillende kernen het gemiddelde aantal windingen/Volt. Voor primaire wikkelingen moet het gevonden getal met de faktor fp = 0,9 en voor sekundaire met fs = 1,1 vermenigvuldigd worden. Voor een sekundaire wikkeling zou dus gelden:
aantal windingen = spanning (windingen/V) 1,1
Figuur 9, Gemiddeld aantal windingen per Volt voor een aantal verschillende kernen.
De figuren 8 en 9 kunnen dus gebruikt worden voor het dimensioneren van de nieuwe wikkeling. Bij het bepalen van de wikkelingen moet bovendien worden overwogen, of de kern het gewenste vermogen kan overbrengen en of de vrijgeworden ruimte groot genoeg is voor de nieuw te leggen wikkeling. Als de nieuwe wikkeling is aangebracht en van een beschermende folie voorzien, wordt de kern op eenzelfde manier om het spoellichaam aangebracht, als hij eruit gehaald is. De gelakte kant van het bilk dient daarbij steeds in dezelfde richting te komen. Na het aanbrengen van de wig en de schroeven met de hoekijzers, volgt de afsluiting van de procedure door middel van een kontrole-meting.