Trasformatori homemade

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Sono riuscito a recuperare una buona scorta di nuclei RM10 di seconda mano, i trasformatori sono gia' avvolti e purtroppo incollati. Non possiedo dei gran dati costruttivi se non quello che si puo' misurare dall'esterno con un semplice induttanzimetro, facendo due conti della serva sembrano dei trasformatori 1:2 con una presa centrale al primario (l'avvolgimento piu' corto). Detta in questo modo dice ben poco, ma sopratutto sembrano del tutto inutili.

Per un sacco di anni ho seguito riviste che proponevano i nuclei RM10 e famiglia come soluzione casalinga per realizzare dei trasformatori; di volta in volta le applicazioni erano le piu' disparate: elevatori di tensione, alimentatori per lampade a film, inverter, etc.

Per anni non ho potuto fare altro che ammirare questo tipo di realizzazioni sulle riviste, visto che ho sempre avuto diversi problemi a procurarmi dei nuclei di questo tipo e quando mi capitava qualcosa tra le mani non ero in grado di caratterizzarlo. Sulle riviste trovi sempre delle indicazioni tipo: "Usate un nucleo Mullard xxyy". Io, dopo aver smontato una tonnellata di rottami, sono finalmente riuscito a trovare un nucleo che gli assomiglia almeno per forma, andra' bene?

Di solito la risposta e' no.
Ora ho davanti un discreto parco trasformatori, dopo tanti anni di attesa dovrei buttare via tutto?!?!
Voglio riuscire a riciclare questi nuclei e realizzare finalmente gli alimentatori che non ho mai potuto realizzare prima.

Quello che vedete qui sotto e' un nucleo RM10, purtroppo tutti i trasformatori o quasi sono incollati: i due nuclei in ferrite vengono incollati fra loro con una colla tipo attack, che quindi e' abbastanza insidiosa. In una produzione industriale questa cosa e' abbastanza normale: i nuclei vengono incollati per evitare che si muovano l'uno rispetto all'altro, alcuni incollano anche il rocchetto centrale per evitare qualsiasi tipo di movimento.

Tra tutti quelli che sono riuscito a recuperare ci sono diversi avvolgimenti basati sul nucleo RM10, quello in figura e' distinguibile perche' ha il filo smaltato e non il filo litz. Da un lato presenta due avvolgimenti con filo rosso e giallo, dall'altro lato un solo avvolgimento fatto con filo giallo.

Secondo i miei calcoli questo avvolgimento dovrebbe avere circa 70+70 spire al primario (ho deciso che questo lato e' il primario) e circa 280 al secondario, ora dobbiamo verificare a fondo che questo sia vero perche' sara' la base da cui partire per decidere del futuro di questi trasformatori. Mi spiace dirlo, ma non ho trovato alternative: dobbiamo per forza di cose rimuovere la ferrite e liberare il rocchetto centrale, visto che la ferrite e' incollata una buona martellata servira' allo scopo.

E' molto importante smontare e conservare le due mollette laterali prima di rompere la ferrite, e' altresi importante rompere solo la ferrite. Purtroppo le parti in ferrite non sono recuperabili se non per alcuni casi fortunati: in questo caso ad esempio una meta' del nucleo si e' salvata dalla distruzione, ma in generale non e' un problema, ho una buona fornitura di nuclei RM10 ancora nuovi che aspettano solo di essere utilizzati. Di fatto ho un gran bisogno di rocchetti: non ne ho nemmeno uno, quindi li recupero in questo modo.

Ora il rocchetto centrale viene montato all'interno della mia speciale bobinatrice, non avendone una me la sono costruita con un motorino recuperato da un vecchissimo floppy drive. Dopo aver tolto il primo giro di nastro giallo il nucleo viene fissato all'interno della bobinatrice, facendo molta attenzione vengono dissaldati i due inizi (o le fini) degli avvolgimenti esterni, a quanto pare questi rocchetti presentano l'avvolgimento bifilare all'esterno e vengono portati fino al rocchetto di servizio della bobinatrice. Ora si procede a sbobinare tutto l'avvolgimento prestando molta attenzione al conteggio delle spire, quello che mi interessa in questo momento e' contare esattamente le spire degli avvolgimenti, per questo entrambi gli avvolgimenti, primario e secondario, vengono completamente smontati dal rocchetto. Per fortuna la bobinatrice conta da sola il numero delle spire.

Qui sopra vede il rocchetto all'interno della bobinatrice. L'avvolgimento esterno e' fatto di esettamente 70+70 spire, come previsto dai miei calcoli. Adesso il gioco e' facile: si toglie il giro di nastro che separa il primario dal secondario e si contano le spire del secondario.

I conti si rivelano esatti anche in questo caso: il secondario presenta esattamente 280 spire fatte con un filo da 0.20mm. Il filo sembra essere lo stesso per tutti gli avvolgimenti.

Oserei dire grande soddisfazione per la bobinatrice che ha subito il suo battesimo del fuoco proprio in questa occasione, per quanto possa sembrare un rottame, si comporta piuttosto bene. Ora che abbiamo contato esattamente tutte le spire dell'avvolgimento originale bisogna rimettere l'avvolgimento secondario al suo posto, quindi con pazienza e un po' di trepidazione riavvolgo tutte le 280 spire sul rocchetto.

Purtroppo non possiedo lo speciale nastro giallo che si trova su tutti i trasformatori del mondo, sperando che non ne abbia a male usero' un pezzetto di nastro vulgaris (scotch normalissimo) per isolare il primario dal secondario. Magari per il prossimo giro cerchero' di non stropicciarlo e buttarlo via appena tolto. Il primario non va riavvolto completamente, voglio un trasformatore che mi dia circa 120V sul secondario con 12V di alimentazione primaria, quindi con un rapporto di trasformazione 1:10, questo significa che le spire del primario devono essere un decimo di quelle del secondario, quindi delle 70 spire originali riavvolgeremo solo 28 spire.

Prima di tutto voglio realizzare un alimentatore per lampade elettroluminescenti. Tempo fa ho comperato un paio di quei fili che si illuminano: assomigliano molto ad un sottile tubetto di plastica riempito di una polvere sottile che emette luce se sottoposta ad un campo elettrico variabile. Ne esistono anche a forma di fogli, una volta facevano da back light nei display. Per alimentare una lampada di questo tipo servono circa un centinaio di volt ad una frequenza possibilmente non superiore ai 2kHz.

Basandomi sulle molte spire del secondario decido di riavvolgere completamente le 280 spire del secondario e di giocare con le spire del primario per avere il giusto rapporto di trasformazione: alimentazione a 12V, rapporto di trasformazione 1:10, quindi avvolgo il primario con 28+28 spire. Il secondo avvolgimento primario fara da feed back per l'oscillatore. Se tutto funziona dovremmo arrivare a 120V di picco al secondario.

Preparo il tutto su una breadboard, in modo da poter apportare delle modifiche in fretta ed attacco la spina, qui sotto le forma d'onda a vuoto e a carico.

Forma d'onda a vuoto

Forma d'onda a carico

Il carico e' costituito da un filo elettroluminescente lungo circa 10m. Per chi se lo stia chiedendo, lo schema elettrico e' questo.

Come si vede e' un oscillatore tipo Armstrong in cui il trasformatore riveste un ruolo centrale; l'avvolgimento di reazione non deve necessariamente avere lo stesso numero di spire del primario, ma in questo modo e' piu' facile avvolgerlo e controllarlo, di fatto la resistenza da 1k che porta la reazione alla base serve a regolare il guadagno dell'anello.

Il filo si accende, anche se debolmente; di fatto questo alimentatore presenta due difetti: la frequenza e' comunque troppo alta anche a carico, 4.7kHz sono un po' troppi, rischiamo di accorciare la vita della lampada; inoltre la tensione di uscita e' scarsa, 202Vpp corrispondono a meno di 100Vrms, io speravo di raggiungere almeno i 100V efficaci.

Quindi decido di modificare l'avvolgimento: malgrado tutto le spire sono troppo poche, bisogna abbassare la frequenza. Questa volta decido di tenere come riferimento le spire primarie originali: 70+70 spire. Decido inoltre di alzare leggermente il rapporto spire, il risultato e' un trasformatore con 70+70 spire al primario e 1000 spire al secondario, sempre con un nucleo con Al=400nH/N2.

Il risultato e' stupefacente: questa volta il filo risplende (per quanto possa risplendere un filo di questo tipo); queste le forme d'onda.

Forma d'onda a vuoto

Forma d'onda a carico

Per quanto la frequenza finale sia ancora superiore al kHz ho deciso di accontentarmi: ho tentato di ridurre le spire del trasformatore aumentando la permeabilita' relativa del nucleo, ma e' stato un disastro, per il momento mi accontentero' di questo risultato.

Tra una prova e l'altra ho scoperto diverse cose: il condensatore in serie al segnale di reazione si puo' omettere aumentando la resistenza da 1kohm a 10kohm, la resistenza di emettitore si puo' ridurre fino a zero, questo aumenta leggermente la luminosita' della lampada.

Alimentatore per lampade elettroluminescenti

Mi sembra dovuto riportare qui il layout e lo schema elettrico finali, il layout non e' dei migliori, ma il trasformatore porta via un sacco di spazio, probabilmente sarebbe meglio utilizzare un nucleo piu' piccolo di un RM10, ma quello ho in casa.

Layout e schame elettrico finale

Qui sotto il risultato della prima produzione di elevatori di tensione: quattro di questi servono ad alimentare lampade elettroluminescenti, uno dovrebbe produrre un'uscita a circa 7V mentre l'ultimo dovrebbe aiutarmi nell'analisi di altri trasformatori.

Prima produzione di oscillatori

Contrariamente a quanto si potrebbe pensare il calcolo dell'induttanza di un avvolgimento fatto su un core tipo RM10 o similare e' molto semplice, la formula base e' la prima delle tre qui sotto.

Il coefficiente AL racchiude in se tutti i parametri costanti della formula: permeabilita' magnetica assoluta e relativa, dimensione del traferro, diametro dell'avvolgimento, etc. Il calcolo e' ovviamente approssimato, ma in realta' la maggior parte dell'approssimazione deriva dal materiale stesso che compone il nucleo.

Queste formule sono valide per qualsiasi tipo di avvolgimento: nuclei RM10 come in questo caso, nuclei piu' piccoli, nuclei ad olla, persino avvolgimenti toroidali; solitamente il data sheet del nucleo fornisce il coefficiente AL misurato in nH su spire al quadrato.

Nel mio caso componendo un trasformatore RM10 con seminuclei nuovi marcati 3C8 e 3C85 si ottiene un AL pari a 400nH/N2. Se invece si riuscisse ad aprire un trasformatore originale di $Noto produttore di microprocessori$ si avrebbe un AL pari a circa 220nH/N2, questi nuclei sono realizzati in materiale N87.

Nel mio cassetto sono presenti anche dei nuclei ad olla tipo P22x13 e P36x22 che presentano rispettivamente un coefficiente AL di circa 630nH/N2 e 250nH/N2. Purtroppo anche in questo caso non possiedo i rocchetti, per il montaggio di questi nuclei sono richiesti dei rocchetti tipo B65662B0000T001 e B65612B0000T001 o compatibili.

Se la musica fosse finita qui forse sarebbe meglio, invece c'e' sempre un fenomeno in agguato quando si parla di induttori e trasformatori: la saturazione del nucleo. Se il nucleo satura, perde automaticamente le proprie proprieta' magnetiche, per certi versi equivale ad aver superato la tensione di rottura di un condensatore: il condensatore si buca e non c'e' piu'. Nel caso degli induttori il componente non prende fuoco, semplicemente smette di essere il componente che voi credete, almeno fino a quando non staccate la spina.

Dopo essere impazzito come al solito dietro a formule incomprensibili (credo di non essere compatibile con il campo magnetico), ho trovato una formula facile facile alla mia portata:

In questa Ac e' un parametro fornito dal costruttore del nucleo, tutti gli altri sono caratteristiche del singolo avvolgimento. Attenzione: questo e' il flusso magnetico generato dal singolo avvolgimento, nel calcolo della saturazione e' necessario sommare i contributi di tutti gli avvolgimenti del trasformatore.

Sostituendo L possiamo ottenere la forma:

In cui Al e Ac sono caratteristiche del nucleo ferromagnetico impiegato.

Vi ricordo infine che e' necessario considerare tutti i contributi, sia quelli variabili (alternati) che quelli costanti: eventuali correnti di polarizzazione contribuiscono a saturare il nucleo. Come si dice in questi casi: "E' la somma che fa il totale!"

Utilizzando questi trasformatori ho creato un iniettore di segnali per l'analisi dei trasformatori: un generatore di piccolo segnale per poter stimolare un trasformatore sconosciuto e poter misurare il rapporto spire tra i vari avvolgimenti.

E' realizzato come gli altri con un nucleo RM10 con Al=400 sul quale vengono avvolte 50 spire di avvolgimento primario e 5+5 spire di secondario. Ho voluto la presa centrale per poter avere piu' tensioni di uscita, non si sa mai. Va alimentato rigorosamente a 12V.

Sembra funzionare abbastanza bene anche se la forma d'onda e' tutt'altro che sinusoidale. Qui sotto l'uscita del secondario completo (saltando la presa centrale) caricato con una resistenza da 100ohm.