Особливості трансформаторів

План

1. Трансформатори: створення і принцип дії

2. Області застосування трансформаторів

3. Вихідний трансформатор

4. Вхідні трансформатори

5. Міжлампові і міжкаскадні трансформатори

6. Розрахунок силового трансформатора

1. Трансформатори: створення і принцип дії

Однією з найважливіших переваг змінного струму перед постійним є легкість і простота, з якою можна перетворити змінний струм однієї напруги в змінний струм іншої напруги. Досягається це за допомогою простого і дотепного пристрою - трансформатора, створеного в 1876 р. чудовим російським вченим Павлом Миколайовичем Яблочковим.

П.Н. Яблочков запропонував спосіб «дроблення світла» для своїх свічок за допомогою трансформатора. Надалі конструкцію трансформаторів розробляв інший російський винахідник И.Ф. Усагин, який запропонував застосовувати трансформатори для живлення не тільки свічок Яблочкова, але і інших приймачів.

Надалі декілька конструкцій однофазних трансформаторів із замкнутим магнітопроводом було створено угорськими електротехніками О. Блаті, М. Дері і К. Циперновським. Для розвитку трансформаторобудування і взагалі електромашино- будування велике значення мали роботи професора А.Г. Столетов по дослідженню магнітних властивостей сталі і розрахунку магнітних ланцюгів.

Важлива роль в розвитку електротехніки належить М.О. Доліво-Добровольському. Він розробив основи теорії багатофазних і, зокрема, трифазних змінних струмів і створив перші трифазні електричні машини і трансформатори. Трифазний трансформатор сучасної форми з паралельними стрижнями, розташованими в одній площині, був сконструйований ним в 1891 р. З тих пір відбувалося подальше конструктивне удосконалення трансформаторів, зменшувалася їх маса і габарити, підвищувалася економічність. Основні положення теорії трансформаторів були розроблені в працях Е. Арнольда і М. Відмара.

У розвитку теорії трансформаторів і вдосконаленні їх конструкції велике значення мали роботи радянських учених В.В. Коріцкого, Л.М. Піотровського, Г.Н. Петрова, А.В. Сапожникова, А.В. Трамбіцького і ін.

Трансформатор - це сердечник з тонких сталевих ізольованих одна від одної пластин, на якому поміщаються дві, а іноді і більше обмоток з ізольованого дроту. Обмотка, до якої приєднується джерело електричної енергії змінного струму, називається первинною обмоткою, решта обмоток - вторинними.

Якщо у вторинній обмотці трансформатора намотано в три рази більше витків, чим в первинній, то магнітне поле, створене в сердечнику первинною обмоткою, перетинаючи витки вторинної обмотки, створить в ній в три рази більше напругу.

Застосувавши трансформатор із зворотним співвідношенням витків, можна так само легко і просто одержати знижену напругу.

З допустимою для практики точністю можна вважати, що відношення числа витків первинної обмотки до вторинної рівне відношенню прикладеної напруги до вихідної.

Це відношення, зване коефіцієнтом трансформації, зазвичай скорочують на менше з чисел, і тоді коефіцієнт трансформації одержують у вигляді відношення одиниці до деякого числа (1:4; 1:50) або, навпаки, деякого числа до одиниці (4:1; 50:1).

У радіоапаратурі трансформатори використовуються в першу чергу в живлячих пристроях, що дозволяють живити приймачі від освітлювальної мережі змінного струму. Такі трансформатори називаються силовими. Крім того, трансформатори використовуються для пониження і підвищення напруги різної частоти в підсилювачах і радіоприймачах. Для низьких (звукових) частот ці трансформатори виготовляються з сердечниками з листової сталі. Для струмів порівняно високої частоти трансформатори, як і котушки індуктивності, робляться або зовсім без сталевих сердечників або з сердечниками з магнетиту, альсіфера, карбонільного заліза і інших спеціальних металів.

Іноді для економії дроту і сталі застосовують трансформатори, в яких одна обмотка є частиною інший, тобто гальванічної розв'язки між вхідним і вихідним ланцюгом немає. Такі трансформатори, називають автотрансформаторами, вони можуть підвищувати напругу, для чого обмотка, що включається в мережу, повинна складати частину обмотки, що дає вихідну напругу, і знижувати його, для чого обмотка, з якою знімається напруга, повинна складати частину мережевої обмотки.

Застосування автотрансформаторів в радіоприймачах пов'язане з деякими незручностями, тому в любительських і покращуваних промислових радіоприймачах автотрансформатори широкого розповсюдження не одержали. В основному вони знайшли застосування в дешевих масових промислових приймачах, а також як пристрої для підтримки необхідної напруги при живленні радіоприймачів від освітлювальної мережі, напруга якої схильна до коливань.

Області застосування трансформаторів.

Трансформатори широко використовуються для наступних цілей:

Для передачі і розподілу електричної енергії.

У сьогодення час для високовольтних ліній електропередач застосовуються силові трансформатори з масляним охолоджуванням напругою 330, 500 і 750 кв, потужністю до 1200 - 1600 МВ*А.

Для забезпечення потрібної схеми включення вентилів в преобразовательных пристроях і узгодження напруги на вході і виході перетворювача.

Трансформатори, застосовуються для цієї мети, називаються преобразовательными. Їх потужність досягає тисячі кіловольт-ампер, напруга 110 кв; вони працюють при частоті 50 Гц і більш. Дані трансформатори виконують одно-, трьох- і багатофазних з регулюванням вихідної напруги в широких межах і без регулювання.

Для різних технологічних цілей: зварки (зварювальні трансформатори), живлення електротермічних установок (електропічні трансформатори) і ін. Потужність їх досягає десятків тисяч кіловольт-ампер при напруга до 10 кв; вони працюють зазвичай при частоті 50 Гц.

Для включення приладів електровимірювань і деяких апаратів, наприклад реле, в електричні ланцюги, по яких проходять великі струми, з метою розширення меж вимірювання і забезпечення електробезпеки.

Трансформатори, вживані для цієї мети, називаються вимірниками. Вони мають порівняно велику потужність, визначувану потужність, споживаною приладами електровимірювань, реле і ін.

Для живлення різних ланцюгів радіо- і телевізійної апаратури; пристроїв зв'язку, автоматики і телемеханіки, електропобутових приладів; для розділення електричних ланцюгів різних елементів цих пристроїв; для узгодження напруги і т.п.

Трансформатори, використовувані в цих пристроях, зазвичай мають малу потужність (від декількох вольт-ампер до декілька кіловольт-ампер), невисоку напругу, працюють при частоті 50 Гц і більш. Їх виконують двух-, трьох- і багатообмотувальними; умови роботи, що пред'являються до них вимоги і принципи проектування вельми специфічні.

Як правило, трансформатори живлення виготовляються комбінованими, тобто що дозволяють знімати декілька напруги; при цьому первинна обмотка (мережева) може бути виконана у вигляді однієї обмотки з двома відведеннями або двох однакових обмоток з одним відведенням в кожному з них. У другому варіанті первинна обмотка на різну напругу (110, 127 або 220 В) перемикається спеціальним мережевим перемикачем.

Обмотка трансформатора живлення, що підвищує, виконується з середнім висновком при використанні двохпівперіодного випрямляча на двох діодах і без середнього висновку для мостової схеми випрямляча.

Загальний пристрій і призначення трансформаторів для побутової радіоелектронної апаратури.

Загальний пристрій трансформатора видно з представленого малюнка - це магнітопровід, набраний з окремих пластин; обмотки, виконані дротом; каркас з ізоляційного матеріалу, на якому намотані обмотки.

Трансформатор, що входить до складу випрямляча і призначений для живлення лампового радіоприймача, має наступні обмотки:

первинну, таку, що включається в мережу;

вторинну, що підвищує, дає напругу, що випрямляється;

вторинну, що знижує, дає напругу для напруження кенотрона;

вторинну, що знижує, дає напругу для напруження підсилювальних ламп радіоприймача.

Іноді між первинною і вторинною обмотками поміщається ще екранна обмотка, призначена для захисту приймача від проникнення в нього з мережі всіляких перешкод. Один кінець цієї обмотки заземляється, а інший ізольований і нікуди не включається.

Первинна обмотка робиться з декількох секцій, що дозволяють включати трансформатор в мережу з різною напругою.

Напруга мережі нерідко коливається під впливом зміни навантаження. Вдень воно буває нормальним, наприклад 220 В, а увечері падає до 180-190 В, вночі і рано вранці підвищується до 230-240 В. У таких випадках первинну обмотку іноді розбивають на ще дрібніші секції (роблять відведення, розраховані на напругу 90, 100, 110, 120, 130, 180, 200, 220 і 240 В). Така секціонована первинна обмотка дозволяє підключати до мережі кількість витків, відповідну фактичній напрузі, і таким чином забезпечує нормальну напругу для роботи приймача.

Якщо від мережі з напругою, що коливається, харчується радіоприймач або яке-небудь інший радіопристрій, трансформатор якого не має подібних малосекціонованих обмоток, доводиться вдаватися до допомоги автотрансформатора. Останній спеціально виготовляється з великим числом відведень, перемикаючи які можна регулювати напругу, що підводиться до приймача.

Вторинна обмотка силового трансформатора, що підвищує, при однопівперіодним випрямлянні складається з однієї секції без всяких відведень, а при двопівперіодним випрямлянні вона розраховується на удвічі більшу напругу і має відведення від середньої крапки.

На якість виготовлення вторинної обмотки повинна бути обернена особлива увага, оскільки в ній виходить висока напруга. Для отримання хорошого згладженого струму при двопівперіодним випрямлянні обидві половини обмотки, що підвищує, повинні бути здійснено однакові. Тому їх краще намотувати не одну поверх іншої, а розташовувати в сусідніх секціях каркаса.

Накальниє обмотки трансформаторів намотуються з щодо товстого дроту (1-2 мм). Обмотка напруження кенотрона в схемі випрямляча сполучена з плюсом високої напруги, тому вона повинна бути особливо ретельно ізольована від сердечника трансформатора, інших його обмоток і екрану.

Всі обмотки трансформатора для кращого використання його об'єму і для оберігання від пробою ізоляції проводів слід намотувати акуратно, виток до витка. Шари обмоток потрібно відокремити один від одного тонким пропарафінованим папером, а між обмотками прокладати шар ізолювальної стрічки, тонкого електрокартону або два-три шари лакотканини.

Щоб крайні витки сповзали в щілину між щічкою каркаса і краєм обмотки і верхні витки не стосувалися нижніх, знаходяться під великою напругою один щодо іншого, прокладки слід робити на 6-8 мм ширше за довжину каркаса, а краї цієї прокладки надрізані і заломлені.

Каркас для намотування трансформатора зазвичай виготовляється із спеціального електрокартону або звичайного щільного картону. Розміри каркаса визначаються розмірами сталевого сердечника трансформатора.

Сердечник трансформатора для зменшення в нім вихрових струмів виготовляється з тонких листів (0,35-0,5 мм) спеціальне трансформаторній сталі. Кожна пластина трансформатора з одного боку обклеюється тонким цигарковим папером або покривається шаром ізолюючого лаку. Використовувані в даний час трансформаторні пластини найчастіше мають Ш-образну форму. Застосовуються також пластини Г-образної форми.

Після намотування трансформатора каркас повинен бути можливо щільніше заповнений трансформаторною сталлю. Набивати силовий трансформатор треба вперекришку: на те місце, де був стик пластин, наступні пластини класти суцільною частиною. Всі пластини кладуться ізольованою поверхнею в один бік.

Пластини трансформатора повинні бути туго стягнуті болтами, що проходять через спеціальні отвори. Якщо пластини не мають отворів, вони стягуються за допомогою сталевих обжимань або дерев'яних брусків.

Вихідний трансформатор.

Окрім силових трансформаторів, в лампових радіоприймачах і підсилювачах вживають вихідні, міжлампові (або перехідні) і вхідні (у підсилювачах низької частоти) трансформатори.

Вихідні трансформатори застосовуються для узгодження опору гучномовця з опором анодному ланцюгу вихідної лампи. Узгодження це необхідне для того, щоб можна було одержати від лампи ту потужність, на яку вона розрахована. Віддати ж найбільшу потужність лампа може тільки в тому випадку, якщо в анодному ланцюзі вона коштує навантаження з опором, оптимальним, що є, для даної лампи. У довідниках це оптимальне навантаження позначається зазвичай Rа або Rа опт.

Анодне навантаження вихідних низькочастотних ламп складає зазвичай декілька тисяч ом, тоді як опір обмоток сучасних гучномовців рівна одиницям ом. Якщо гучномовець з такою низькоомною звуковою котушкою включити прямо в анодний ланцюг лампи, то тільки маленька частка потужності витрачатиметься на гучномовці, а решта всієї потужності марно витрачатиметься на нагрів лампи. При включення ж в анодний ланцюг лампи знижувального трансформатора, до вихідної обмотки якого підключений гучномовець, положення різко зміниться.

Трансформатор, знижуючи напругу, що діє в анодному ланцюзі лампи, в той же час як би «підвищує» опір, підключений до анодного ланцюга. Якщо коефіцієнт трансформації вихідного трансформатора рівний 20:1, тобто у вторинній (вихідний) обмотці в 20 разів менше витків, чим в первинній (анодною), то напруга, що підводиться до гучномовця, буде в 20 разів менше що діє на аноді лампи, а опір, що «відчувається» лампою, стане в 400 разів більше опору обмотки гучномовця, тобто зросте в 20*20=202 рази.

Розрахунок вихідного трансформатора складний для радіоаматора, що починає, тому в таблиці приведені дані обмоток вихідних трансформаторів для вихідних ламп, що найбільш вживаються, і гучномовців.

Треба вказати на особливість складки сердечників вихідних трансформаторів. Тут, так само як і в дроселях фільтру, пластини сердечника збираються в стик із зазором між пакетами пластин в 0,1 - 0,2 мм. Необхідно це тому, що за відсутності зазору постійний анодний струм лампи, що проходить через трансформатор, може дуже сильно намагнітити сердечник, унаслідок чого індуктивність трансформатора зменшиться, а це приведе до погіршення трансформації нижніх звукових частот.

2. Вхідні трансформатори

Вхідні трансформатори служать для узгодження входу підсилювача звукової частоти з мікрофоном, звукознімачем або магнітною головкою. Оскільки максимальна амплітуда змінної напруги для вхідних трансформаторів буває не більш 1В, то їх виготовляють такими, що підвищують. Вхідні трансформатори повинні мати підвищену перешкодозахисну і слабку чутливість до дії зовнішніх магнітних полів, оскільки інакше в них може з'явитися значна напруга перешкод.

Для зменшення перешкод вхідні трансформатори ретельно екранують, осі їх обмоток розташовують перпендикулярно до магнітних силових ліній джерела перешкод, а також приймають заходи по можливо більшому видаленню вхідних ланцюгів від вихідного трансформатора і трансформатора живлення. Враховуючи, що найменшою чутливістю до дії зовнішніх магнітних полів володіють трансформатори з магнітопроводами броньового або тороїдального типу, вхідні трансформатори виготовляються на штампованих або стрічкових сердечниках з пермалою. 80НХС або 79НМ, а також із сталі. Вхідні трансформатори поміщають в екран або опресовують пластмасою. Їх кріплять на друкарських платах за допомогою «лапок» або безпосередньо паянням висновків з лудженого дроту діаметром 1 - 1,5 мм.

Міжлампові і міжкаскадні трансформатори.

Міжкаскадні трансформатори застосовуються для зв'язку в УЗЧ, одержуючих живлення від автономних джерел, оскільки в цьому випадку від підсилювача необхідно одержати максимальний коефіцієнт посилення при мінімальній кількості транзисторів і радіоламп.

Конструктивно міжкаскадні трансформатори не відрізняються від вхідних. Вони виготовляються з коефіцієнтом трансформації не більше ніж 1:4, оскільки більший коефіцієнт викликає великі гармонійні спотворення.

Міжлампові трансформатори уживаються, коли при обмеженій кількості ламп і невеликій анодній напрузі необхідно одержати велике посилення. Такі вимоги часто пред'являються до батарейних радіоприймачів.

Міжлампові трансформатори переважно роблять з малим перетином сталевого сердечника (1,5 - 3 см2). Первинні обмотки, що включаються в анодний ланцюг лампи, зазвичай складаються з 3000 - 5000 витків емальованого дроту діаметром 0,08 - 0,1 мм. Вторинні обмотки трансформаторів мають від 6000 до 20 000 витків того ж дроту, що і первинна обмотка.

Коефіцієнт трансформації міжлампові трансформаторів, тобто відношення кількості витків первинної обмотки до кількості витків вторинної обмотки, беруться в межах від 1:2 до 1:5.

Здавалося б, що для більшого посилення треба мати великі коефіцієнти трансформації. Проте при підвищенні коефіцієнта трансформації навіть тільки до 1:4, 1:5 трансформатори вже дають помітно гіршу якість відтворення звуку, чим трансформатори з коефіцієнтом 1:2. Причина в тому, що при дуже великій кількості витків у вторинній обмотці її власна місткість стає настільки великою, що погіршує трансформацію верхніх звукових частот.

Крім того, намотаний тонким дротом міжламповий трансформатор є найбільш надійною деталлю приймача або підсилювача.

Тому по можливості міжламповий трансформатор не слід застосовувати.

Застосування перехідних трансформаторів в мережевих приймачах небажано ще тому, що при використанні міжлампового трансформатора дуже важко позбавиться прослуховування фону змінного струму. Це явище викликається тим, що магнітний потік силового трансформатора не весь замикається по сердечникові. Частина потоку проходить в навколишньому просторі, перетинає витки обмотки міжлампового трансформатора і наводить в нім змінну напругу. Наведена напруга посилюється і, потрапляючи в гучномовець, створює неприємне гудіння.

Розрахунок силового трансформатора.

Силовий трансформатор належить до деталей, які радіоаматорові доводиться часто виготовляти самому. Тому необхідно уміти визначати дані силового трансформатора і розраховувати його. Це завдання нескладне і цілком доступне радіоаматорові, що починає.

Розрахунок складається з наступних етапів:

Залежно від призначення пристрою, для живлення якого розраховується силовий трансформатор, встановлюються число обмоток трансформатора і їх струми і напруга. Потім підраховується сумарна корисна потужність трансформатора, для чого знаходяться потужність, що віддаються кожною вторинною обмоткою трансформатора (шляхом перемножування величини струму на напругу).

Знаходиться потужність, споживана від мережі трансформатором. Як відомо, при роботі трансформатора в нім відбуваються втрати (на вихрові струми, перемагнічування стали і нагрів обмоток), по цьому потужність, споживана трансформатором від мережі, буде приблизно в 1,25 разів більше за корисну потужність, що віддається.

Pпотр=1,25*Pпов