ТРАНСФОРМАТОРЫ
Принцип трансформации переменного тока
На миг представим себе, что трансформаторы не были изобретены человечеством. Тогда при передаче электроэнергии от электростанций на большие расстояния сопровождалось с огромными потерями энергии. Так как, чем больше ток, тем больше нагревается проводник, и тем больше тратится энергии на его нагревание. И чем больше длина проводов, тем более ощутимы эти потери.
Чтобы избежать огромных потерь, на входе линии электропередачи ставят повышающий трансформатор, который повышает напряжение до тысяч киловольт, при этом происходит значительное уменьшение тока – главного виновника потерь энергии. Здесь следует отметить еще один факт, что ток при высоковольтном напряжении распространяется по поверхности проводника, а значит, меньше испытывает препятствий, в виде сопротивления проводника, на своем пути. А на выходе линии передачи ставят понижающий трансформатор, который понижает высоковольтное напряжение до требуемых величин, например, 220 вольт.
Нам тоже иногда требуется получить различные величины переменных напряжений – 12В, 24В, 130В, и т. д. Поэтому в домашних условиях мы так же используем трансформатор для преобразования сетевого напряжения 220В в требуемые нам величины. Часто повышающие и понижающие трансформаторы называют сетевыми или силовыми. Помимо силовых в быту существуют трансформаторы звуковой частоты, трансформаторы высокой частоты и импульсные.
Трансформатор, наряду с выпрямителем и стабилизатором, а так же с различными фильтрами по питанию входят в устройство блока питания. Рассмотрим подробнее принцип работы и конструкцию силового трансформатора.
Обычно он состоит из магнитопровода, различной конструкции, первичной и вторичной обмотки. Магнитопровод собирается из пластин специальной стали. Обмотка, которая подключена к сетевому напряжению, называется первичной, а обмотка, к которой подключена нагрузка – вторичной. Обозначаются обмотки римскими цифрами.Работает трансформатор на принципе магнитного свойства электрического поля. При подключении выводов первичной обмотки к сети по ней протекает ток, создающий вокруг ее витков и в магнитопроводе переменное магнитное поле по правилу «буравчика». Немного о этом правиле. Правило «буравчика» заключается в образном понимании направления силовых магнитных линий вокруг проводника. Таким образом, если мы начнем «закручивать буравчик» по направлению движения тока в проводнике, то вращательное движение буравчика покажет нам направление магнитных линий вокруг проводника. Созданное магнитное поле первичной обмотки, наводит ЭДС во вторичной. Величина напряжения вторичной обмотки будет зависеть от соотношения витков. Если число витков вторичной обмотки будет больше, чем первичной, то выходное напряжение будет больше сетевого, и такая обмотка называется повышающей. И наоборот, если меньше, то выходное напряжение получится меньше сетевого, и обмотка будет понижающей. В повышающей обмотке сила тока всегда меньше, чем в первичной, а в понижающей обмотке сила тока больше.
Параметры трансформаторов
Отдельно взятый сердечник магнитопровода пригоден только для изготовления трансформатора до определенной мощности. И этот предел по мощности называется габаритной мощностью трансформатора Pг. Для того, чтобы определить габаритную мощность трансформатора, нужно найти суммарную мощность, потребляемую каждой вторичной обмоткой и разделить на КПД трансформатора.
Рг=РΣ/ηгде Σ - КПД трансформатора, который выбирают из предела от 0,8 до 0,95. Более большие значения будут иметь трансформаторы большой мощности. Определить заранее КПД трансформатора нельзя, поэтому он определяется по приведенному ниже графику (рис. 2), с некоторой погрешностью,
что для радиолюбительских расчетов вполне приемлимо.Следующим параметром трансформатора является коэффициент трансформации. Это отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной. И выглядит это так.
k=w1/w2 ;Так же справедливо и следующее равенство:
k=w1/w2=U1/U2 ;где U1, U2 – напряжения певичной и вторичной обмотки в режиме холостого хода, для конкретного магнитопровода. Для другого сердечника трансформатора значения данной формулы будут другие.
Количество витков, приходящихся на 1 вольт, определяется по формуле:
n=r/S ;где r- коэффициент, определяемый свойствами сердечника, и выбирается в пределах от 35 до 60, зависящий от технологии изготовления.
S – сечение рабочего керна, см2. Это площадь сечения стержня магнитопровода на котором намотана одна из обмоток, показанная на рис. 3.
S=1,2√Pг;Это будет являться первоочередной задачей при расчете трансформатора, так как на этом этапе выбирается подходящий сердечник по справочникам. Подробная методика расчета трансформатора изложена в журналах «Радио» №4 – 5, 2004 г. Там же приведены и некоторые данные по типам магнитопроводам.
Отлично справляются с расчетом трансформатора различные программы, которые можно найти в интернете. В них всегда на первом этапе определяются размеры сердечника, а затем уже другие значения: токи, количество витков, диаметр обмоточного провода и т. д. Но в практике радиолюбителя нет широкого выбора магнитопровода, поэтому, лично я, исходя из имеющегося в наличии магнитопровода, определяю, подходит ли данный магнитопровод или нет.
Автотрансформаторы
Как видно из рис. 4. Входное напряжение подается на всю обмотку, а снимается выходное напряжение только с ее части. Причем направления токов в общей части обмотки направлено встречно, т. е. в данной части обмотки будет действовать разность токов I1и I2. А значит, ее можно намотать более тонким проводом по сравнению со всей частью обмотки. Однако существует недостаток автотрансформаторов, заключающийся в существовании гальванической связи между входными и выходными цепями.
