اصول ترانسفورماتورها و سیم پیچ‌ها

 

بنابرخواست گروهی از دوستداران و خوانندگان مقالاتی در زمینه تهیه ترانسفورماتور و کاربرد آن تهیه خواهیم کرد. اینک در اولین قسمت این مقاله به شرح و استفاده سیم پیچ ها ، هسته سیم پیچ ، ساختمان ترانسفرماتور ، ساختمان ترانسفورماتورهای کوچک ، ترانسفورماتورهای صنعتی ، تعیین دورهای اولیه و ثانویه و انتخاب نوع سیم خواهیم پرداخت .

.

1 – سیم پیچ چیست؟

هرگاه یک سیم پیچ مسی ساده را دور مدادی که با آن می نویسید به شکل فنر بپیچید ، سپس مداد را از داخل آن بیرون بیاورید یک سیم پیچ بوجود می آید.

 

 

.

 

 

در صورتی که سیم پیج را دور میله آهن پیچیده باشید و میله را در داخل آن باقی گذارده و بیرون نیاورید می گوییم یک سیم پیچ با هسته آهنی درست شده است. بنابراین این جسمی که سیم پیچ روی آن پیچیده می شود ، هسته سیم پیچ نام دارد. 

 

 

 

 

سیم پیچ با هسته آهنی

 

 

ولی اگر میله را از داخل آن خارج کنید ، چون در داخل سیم پیچ فقط هوا وجود دارد از اینرو آن سیم پیچ را ، سیم پیچ با هسته هوایی می نامند.

 

 

 

سیم پیچ با هسته هوایی

.                                                                   

موارد استفاده سیم پیچ ها :

سیم پیچ ها را در صنعت به منظورهای زیر بکار می برند:

1. از سیم‌پیچ‌ها جهت ایجاد میدان آهنربایی ثابت استفاده می‌کنند. مانند رله‌ها (رله‌ها سیم‌پیچ‌هایی هستند که وقتی جریان DC از آنها عبور کند آهنربا شده و صفحه‌ای را که در مقابل آنها قرار دارد جذب می‌کنند.) از رله‌ها در صنعت الکترونیک اغلب برای قطع و وصل مدارها به صورت خودکار استفاده می‌شود.
2. از سیم‌پیچ‌ها جهت ایجاد میدان آهنربایی متغیر استفاده می‌کنند به این ترتیب که در اثر عبور جریان AC در آنها میدان آهنربایی متغیر بوجود می‌آید. همین میدان متغیر سبب می‌شود جریان AC که از سیم‌پیچ می‌گذرد در خارج از سیم‌پیچ و در اجسامی که در نزدیک سیم‌پیچ قرار گرفته‌اند تاثیر نماید. مثلا هرگاه طبق شکل زیر از یک سیم‌پیچ جریان AC عبور کند در اطراف آن میدان آهنربایی متغیر ایجاد می‌شود حال اگر سیم‌پیچ دیگری را نزدیک سیم‌پیچ اول قرار دهیم ملاحظه می‌کنیم که در سیم‌پیچ دوم که به اندازه کافی از سیم‌پیچ اول دور بوده است و به آن اتصال ندارد، جریان AC تولید می‌شود. از این خاصیت سیم‌پیچ‌ها در موارد زیر استفاده می‌شود:

• ترانسفورماتورها که برای بالا و پایین آوردن ولتاژ AC مورد استفاده واقع می‌شوند.
• انتقال امواج از یک سیم‌پیچ به سیم‌پیچ دیگر.
• گرفتن امواج (آنتن‌های رادیو، تلویزیون و غیره.)

 

اثر هسته در داخل سیم پیچ ها :

وجود هسته آهن در داخل سیم پیچها موجب افزایش خاصیت آهن ربایی در داخل سیم پیچها می شود. از این رو برای تقویت میدان آهن ربایی سیم پیچها در داخل آنها هسته ی آهنی بکار میبرند. هسته ی مورد استفاده در داخل سیم پیچها به صورتهای مختلف بوده و نوع آنها نیز ممکن است با هم تفاوت داشته باشد و این مطلب بستگی به این دارد که از سیم پیچ در چه موردی استفاده شود. به طور کلی همیشه قائده زیر را در این مورد در نظر داشته باشید.

هر قدر فرکانس جریان (AC) که از سیم پیچ میگذرد بیشتر گردد بایستی اثر هسته ی بکار رفته در داخل سیم پیچ کمتر شود. مثلا  سیم پیچهایی که برای انتقال امواج صوتی بکار می روند دارای هسته ی آهنی هستند ولی سیم پیچهایی که در فرکانسهای رادیویی بکار می روند اغلب دارای هسته ی ذغالی یا هوایی هستند همچنین سیم پیچهایی که برای گرفتن امواج تلویزیونی بکار می روند دارای هسته برنجی میباشند. هسته های ذغالی که در داخل سیم پیچها بکار میروند خمیری از گرد گرافیت و براده ی آهن هستند.

 

2 – ترانسفورماتور چیست؟

ترانسفورماتور عبارت از دستگاهی است که برای بالا بردن یا پایین آوردن ولتاژ AC بکار می رود. مثلا هرگاه بخواهیم 220 ولت برق شهر را برای زنگ اخبار به 6 ولت تبدیل نماییم از ترانسفورماتور استفاده می کنیم همچنین هرگاه بخواهیم 220 ولت برق شهر را برای یک الکترو موتور به 350 ولت تبدیل کنیم از ترانسفورماتور استفاده می نماییم.

.

هشدار: جهت استفاده از برق شهر، نکات ایمنی را رعایت کنید و از هرگونه کاری که منجر به برق گرفتگی می شود، جدا پرهیز نمایید.

.

ساختمان ترانسفورماتورها :

هرگاه طبق شکل میله آهنی انتخاب نموده مثلا در نیمه ی بالای میله 500 دور سیم و در نیمه ی پایین 1000 دور سیم بپیچید یک ترانسفورماتور ساده به وجود می آید. حال اگر دو سر سیم پیچ 500 دور را به برق 220 ولت وصل کنید ملاحظه می کنید که در سیم پیچ دوم ولتاژی در حدود 440 ولت بدست می آید. سیم پیچ اول را که به برق 220 ولت متناوب شهر وصل می کنید اولیه یا primary و سیم پیچ دوم را که از آن ولتاژ متناوب دلخواه را میگیرید ثانویه یا secondary می نامند. ممکن است به جای یک ثانویه چند ثانویه داشته باشید که آنها را روی هم یا کنار هم می پیچید. به طور کلی هر قدر تعداد دور سیم پیچ ثانویه کمتر از اولیه باشد به همان میزان ولتاژی که در آن تولید می شود کمتر است و هرقدر تعداد دور ثانویه بیشتر گردد به همان نسبت ولتاژ حاصله در آن بیشتر می شود. مثلا در شکل بالا چون تعداد دور سیم پیچ ثانویه دو برابر دور سیم پیچ اولیه است  ولتاژی که در آن تولید می شود تقریبا دو برابر ولتاژی خواهد بود که در اولیه وجود دارد.

.

ساختمان ترانسفورماتورهای کوچک صنعتی :

همان طوری که قبلا یادآور شدیم برای افزایش اثر میدان مغناطیسی در داخل سیم پیچها از هسته ی آهنی استفاده می شود. در ترانسفورماتورها نیز برای اینکه اتلاف انرژی کم باشد از هسته ی آهنی استفاده می شود و برای جلوگیری از گرم شدن هسته، آهن مورد لزوم را ورقه ورقه می کنند.

بیشتر ورقه های آهن که در ترانسفورماتورهای رادیو و تلویزیون و ترانسفورماتورهای کوچک تقویت ولتاژ بکار می روند به شکل EI ساخته می شوند.

جنس آنها از آهن مخصوص سیلیس دار بوده و تقریبا برای هریک وات 20 تا 22 گرم آهن بکار میبرند. در ترانسفورماتورهای ارزان قیمت برای هر وات 15 تا 18 گرم آهن مصرف می شود. به همین علت در این نوع هسته ی آهنی هنگام کار قدری گرم می شود ولی باید گرمای حاصله در هسته به قدری نباشد که دست را بسوزاند.

بیشتر ورقه های آهن که در ترانسفورماتورهای رادیو، تلویزیون و ترانسفورماتورهای کوچک تقویت ولتاژ بکار می روند مانند شکل فوق می باشند.

 

 

تعیین دور ولت ترانسفورماتورها :

منظور از دور ولت این است که تعیین کنیم برای هر یک ولت، ولتاژی که به ترانسفورماتورها می دهیم یا از آن می گیریم چند دور سیم باید پیچیده شود. برای تعیین دور ولت بایستی سطح مقطع ترانسفورماتور بر حسب سانتیمتر مربع بدست آید. پس از بدست آوردن سطح مقطع عدد 48 را بر آن تقسیم می کنیم تا دور ولت ترانسفورماتور تعیین شود. مثال : فرض کنید سطح مقطع آهن یک ترانسفورماتور 8 سانتیمتر مربع باشد. در این صورت دور ولت ترانسفورماتور مساوی 48 تقسیم بر 8 مساوی 6 می گردد ( 6 = 8 : 48 ) یعنی برای هر یک ولت بایستی 6 دور سیم پیچیده شود. در صورتی که سطح مقطع مساوی 10 سانتی متر مربع باشد، دور ولت آن مساوی 48 تقسیم بر 10 مساوی 4.8 می شود ( 4.8 = 10 : 48 ).

تذکر: هرقدر قدرت (وات) ترانسفورماتور بیشتر باشد به همان نسبت بایستی سطح مقطع هسته ی آن را بیشتر انتخاب کنیم، همچنین یاد آور می شویم که در ترانسفورماتوری صنعتی ممکن است به جای عدد 48 عددی بین 45 و 48 انتخاب نمود. عدد 48 از حاصل ضرب دور ولت در سطح مقطع آهن بر حسب سانتیمتر مربع بدست می آید. این عدد با مشخصات فرکانس برق ایران یعنی 50 هرتز در ثانیه با توجه به فرمول زیر بدست آمده است.

 

           در این فرمول ( B ) عبارت از مقدار فلو یا جریان مغناطیسی است که از هر سانتیمتر مربع سطح مقطع آهن عبور می کند و معمولا مقدار آن در آهنهای مخصوص ترانسفورماتور نزدیک به 10000 گوس انتخاب می شود ( گوس واحد جریان مغناطیسی در داخل اجسام است ) هرگاه در فرمول بالا مقادیر عددی را به ازای یک ولت قرار دهیم خواهیم داشت : 

  و از آنجا مقدار ( SN ) برابر خواهد شد با : 

            به طوری که ملاحظه می کنید عدد حقیقی محاسبه ی دور ولت از روی سطح مقطع ترانسفورماتور با توجه به فرکانس برق ایران که 50 هرتز در ثانیه است مساوی 45 می باشد. لیکن در عمل برای جلوگیری از اتلاف حاصله عدد مزبور 48 یا 49 انتخاب می شود. به طور کلی هرقدر فرکانس برق شهر کمتر باشد عدد مزبور بزرگتر انتخاب می شود و هر قدر فرکانس بیشتر شود عدد مزبور را کوچکتر انتخاب می کنند. 

مثلا :    هرگاه فرکانس برق 60 هرتز در ثانیه باشد کافی است عدد مزبور را بین 40 تا 42 انتخاب نمایید.

 

Pic

 

 

 

 

تعیین دورهای اولیه و ثانویه  ترانسفورماتورها :

          پس از اینکه دور ولت ترانسفورماتورها به دست آمد آنرا در ولتاژ اولیه ضرب می کنیم تا تعداد دور اولیه معین گردد.

این عمل در مورد ولتاژهای ثانویه نیز انجام داده و تعداد دور آنها را حساب می کنیم.

 

مثال :   در یک ترانسفورماتور به قدرت  40  وات و سطح مقطع  6.5  سانتیمتر مربع  می خواهیم  220  ولت برق شهر را به  110  ولت تبدیل نماییم، تعداد دورهای اولیه و ثانویه را حساب کنید. 

حل  :   ابتدا دور ولت اولیه ترانسفورماتور را تعیین می کنیم و از آنجا داریم :

7.4  =  6.5  :  48

حال تعداد دورهای اولیه و ثانویه را به ترتیب زیر بدست می آوریم : 

دور اولیه        1627  =  7.4  *  220

دور ثانویه        814  =  7.4  *  110

 

 

انتخاب نوع سیم در اولیه  :

 

 

 

 

 

 

ادامه دارد …