Индукционный трансформатор: Индукционный нагреватель металлов

Содержание

Индукционный нагреватель металлов

Приветствую, радиолюбители-самоделкины!

В металлургической промышленности, а также на других производствах, где требуется нагрев материалов до высокой температуры иногда используются индукционные нагреватели. Их принцип работы довольно необычен и сильно отличается, например, от привычного нагрева за счёт сгорания какого-либо топлива, ведь в качестве энергоресурса используется электричество. Казалось бы, электрические нагреватели, различные ТЭНы также не редкость, но они работают по другому принципу - в ТЭНах установлена, как правило, спираль из материала с определённым электрическим сопротивлением, например из нихрома, при прохождении через неё тока происходит нагрев, который затем передаётся нагреваемому объекту. Индукционные же нагреватели на имеют ТЭНов - в них нагрев происходит за счёт образования в металлах токов Фуко, или вихревых токов достаточно большой силы. Таким образом, индукционный нагреватель разогревает только проводящие объекты, в частности, металлы, ведь в толще диэлектрика токов возникать не может.

Обязательным элементом индукционного нагревателя будет являться индуктор - катушка из толстого медного проволока, которая и будет создавать высокочастотное поле, внутрь этой катушки для нагрева будет помещаться нагреваемый металлический предмет.


Преимуществом индукционного нагревателя будет являться достаточно большой КПД - ведь сам индуктор не нагревает с процессе работы, конечно, определённые потери на нём есть, но они не так значительны. Схема, которая генерирует высокочастотные колебания большой мощности также не выделяет лишнее тепло, при правильной сборке и настройке, таким образом, дополнительное охлаждение ей не требуется, максимум - небольшие радиаторы для силовых транзисторов. Индукционные нагреватели могут иметь совершенно разные мощности - например, промышленные могут развивать мощность вплоть до нескольких десятков и сотен киловатт, их предназначением является плавление крупных металлических объектов. В домашних условиях построить нагреватель такой мощности весьма проблематично, но вот маломощный - запросто, нагревать он сможет различные небольшие металлические предметы - гайки, болтики, гвозди, шарики подшипников.
Найти применение такому нагревателю можно даже дома - например, для ковки небольших металлических предметов, либо просто для развлечения, наблюдая, как всего за пару минут гайка раскаляется до красноты.



Схема для сборки представлена выше, рассмотрим, из каких элементов она состоит и какие детали потребуются. Стоит сразу отметить, что для настройки схемы желательно иметь под рукой осциллограф, без него настройка в слепую может стать проблематичной. В левой части схемы большим прямоугольником показан "чёрный ящик" - это генератор прямоугольных импульсов, конкретная его схемотехника на схеме не приводится, так как способов сделать такой генератор огромное множество, некоторые варианты были описаны в предыдущих статьях. Самый простой способ - применить микросхему NE555, схема будет самой типовой. "Ящик" с генератором подключается к схеме 3-мя контактами, два из которых предназначены для питания, со среднего вывода снимается сигнал с генератора и поступает на базы транзисторов.
Генератор должен иметь настройку частоты, границы настройки должен лежать в пределах от 40 до 80 кГц, либо в более широком диапазоне, скважность импульсов должна быть 50% - именно столько и дают простейшие схемы генераторов. Каскады схемы на транзисторах VT2, VT3, а также VT1 являются драйвером для "раскачки" полумоста, который следует по схеме далее.

В качестве VT2 и VT3 можно применить практически любую комплементарную пару маломощных транзисторов - обратите внимание, что они имеют разную структуру, применить можно, например, КТ3102 и КТ3107, либо импортные BC547, BC557. В качестве VT1 подойдёт любой достаточно мощный полевой транзистор N-канальный, например, IRF740, IRF630, IRF840, либо указанный на схеме BUZ71. В стоке VT1 установлен так называемый GDT трансформатор, который развязывает силовую и логическую части схемы. Наматывается этот трансформатор на ферритовом колечке диаметром примерно 2 сантиметра и содержит три обмотку - одну первичную и две вторичные, ко вторичным будут подключаться силовые транзисторы полумоста.
Все обмотки должны быть одинаковыми, количество витков составляет 15-30, подобрать лучше всего экспериментально, наблюдая сигнал на вторичных обмотках осциллографом - там должны быть ровные без искажений прямоугольные импульсы, важно проконтролировать, чтобы их форма не было искажённой во всём диапазоне частот - от 40 до 80 кГц. Для намотки трансформатора можно использовать медную эмалированную проволоку диаметром 0,4 мм, либо, например, жилы в изоляции от кабеля витой пары. Сигналы с трансформатора идут на базы транзисторов VT4, VT5, которые непосредственно коммутируют индуктор через согласующий трансформатор. В цепи баз этих транзисторов установлены цепочки для формирования так называемого дэд-тайма, дополнительного времени между переключениями транзисторов. Дэд-тайм исключает ситуацию, когда оба транзистора открыты, таким образом, значительно снижается их нагрев. В качестве VT4, VT5 можно применить достаточно мощные биполярные транзисторы КТ805, но также можно экспериментировать и с мощными полевыми, например, IRF740, IRF250 - с ними результат должен быть ещё лучше.
Конденсаторы С1 и С2 образуют вместе с VT4, VT5 полумост, который коммутирует нагрузку в виде согласующего трансформатора Tr2. В качестве этих конденсаторов можно применить плёночные на напряжение не меньше 200В, ёмкость можно варьировать от 470 нФ до 1 мкФ, увеличение их ёмкости может дать некоторый прирост в мощности нагревателя. Tr2 - трансформатор тока, наматывается на массивном ферритовом колечке, подойдут диаметром не менее 5 см.

Первичная обмотка, подключаемая к полумосту, содержит 22 витка медным проводом диаметром 1 мм, вторичная, подключаемая к индуктору - всего 2-3 витка, но либо одним толстым медным проводом, либо сложенным в 4-5 раз тем же проводом 1 мм. Этот трансформатор называется трансформатором тока, так как преобразует колебания высокого напряжения в высокий ток при небольшом напряжении на вторичной обмотке. И уже ко вторичной обмотке этого трансформатора подключается индуктор - катушка из медной проволоки, диаметр катушка составляет 11 мм, количество витков равно шести.
Проволоку для индуктора лучше взять потолще, около 2мм, чтобы избежать лишних потерь. Последовательно с индуктором включен конденсатор, который вместе с индуктором образует резонансную цепь - частоту её резонанса после сборки схемы нужно настроить одинаково с частотой генератора в начале схемы, сделать это можно либо с помощью изменения частоты генератора, либо подбором конденсатора.




Вся схема собирается навесным монтажом, как можно увидеть, схема неприхотливая - даже при не самом образцовом варианте навесного монтажа работает и уверенно нагревает металлический болтик до красноты, это можно увидеть на одной из фотографий ниже.

Для питания схемы необходимы два источника - один на 15В для питания логический части схемы, этот источник может иметь небольшую мощность, ведь ток потребления логической части достаточно мал. Источник питания для силовой части должен иметь достаточно большую мощность, ведь в процессе нагрева схема потребляет значительный ток, до десятка ампер. Напряжение питания силовой части можно варьировать, начиная с 10-12В и постепенно поднимать, контролируя работу схемы. Чем больше напряжение питания - тем сильнее будет нагрев, но вместе с тем повышается и нагрузка на силовые транзисторы. Удачной сборки!


Источник (Source)

что это, как рассчитать, формулы и примеры

Трансформатор, как элемент радиотехники и электротехники, работает на основе электромагнитной индукции. Говоря об индуктивности трансформатора, имеют в виду индуктивность обмоток и взаимоиндукцию между ними.

Каждая из обмоток представляет некоторое количество витков провода, намотанных на ферромагнитный сердечник, то есть обыкновенную катушку индуктивности.

Трудность в определении параметров катушки заключается в том, что они изменяются в зависимости от нескольких параметров и их сочетания:

  • токи в обмотках;
  • уровень намагниченности магнитопровода;
  • магнитные характеристики сердечника;
  • взаимодействие между соседними обмотками;
  • наличия постоянной составляющей тока.

Конструкция и принцип действия силового трансформатора

В основе конструкции любого трансформатора находятся следующие элементы:

  1. Сердечник из ферромагнитного материала.
  2. Первичная и вторичные обмотки. В случае автотрансформатора одна обмотка выполняет обе функции.

В сетях переменного тока промышленной частоты (50 или 60Гц) в качестве ферромагнитного материала используется сталь, обработанная по специальной технологии. На высоких частотах часто делаются трансформаторы без сердечника, поскольку для нормальной работы достаточно взаимосвязи межу катушками.

Принцип работы:

  • в первичной обмотке, подключенной в цепь питания, создается переменное электрическое поле;
  • под действием поля первичной катушки в сердечнике создается переменное магнитное поле;
  • в силу электромагнитной индукции во всех обмотках наблюдается ЭДС индукции.

ЭДС индукции в первичной обмотке направлена противоположно поданному напряжению, поэтому они взаимно компенсируются. В результате, при отсутствии нагрузки через первичную обмотку протекает сравнительно небольшой ток холостого хода.

Наличие тока вторичной цепи аналогично вызывает дополнительный магнитный поток, а он – ЭДС самоиндукции в первичное катушке. В результате компенсация первичного напряжения снижается и растет ток в первичной цепи.

Физическое понятие индуктивности обмоток

Индуктивность представляет собой коэффициент пропорциональности между током, создаваемым замкнутым электрическим контуром, и магнитным потоком, который создается этим контуром.

Более понятной формулировкой будет та, которая говорит о величине ЭДС самоиндукции в замкнутом контуре, которая возникает при изменении силы тока за единицу времени. То есть, понятие индуктивности справедливо для изменяющегося тока.

При постоянном токе говорить об индуктивности бессмысленно.

В идеальном трансформаторе все электромагнитное поле, создаваемое обмотками, замкнуто в магнитном сердечнике. В реальных конструкциях существует поле рассеяния, величина которого зависит от способа выполнения катушки и конструктивных особенностей сердечника. Чем больше толщина намотки, тем большая часть электромагнитного поля замыкается вне магнитопровода.

Этому способствует также качество сборки магнитопровода. Зазоры между пластинами способствуют резкому увеличению рассеивания. В связи с этим наилучшими свойствами обладают О-образные сердечники.

Формулы и измерение

Формулы для расчета индуктивности катушек довольно сложны и имеет различный вид для различных типов исполнения обмоток:

  • линейный проводник;
  • одновитковая катушка;
  • плоская катушка;
  • соленоидальная обмотка;
  • тороидальная форма.

Наибольшие сложности возникают при расчетах многовитковых многослойных катушек, то есть тех, которые составляют обмотку трансформаторов.

В подавляющем большинстве случаев точный расчет невозможен, поэтому приходится использовать примерные данные и уточнять их после проведения измерений.

Формулы  для расчета индуктивности трансформатора основаны на расчетах соленоида:

L=µµN2S/l, где

µ0 – магнитная постоянная;

µ – магнитная проницаемость сердечника;

N – количество витков;

S – площадь одного витка;

l – длина обмотки.

Для измерения индуктивности существует несколько методик и приборов, созданных на их основе. В большинстве случаев измерение производится путем вычислений индуктивного сопротивления катушки при подаче образцового напряжения заданной частоты и измеренного значения тока через обмотку.

В специализированных приборах вычисления производят

Индукционный нагрев: использование индукторов при сварке

При выполнении ремонтных, монтажных и производственных работ, когда необходимо обеспечить максимальную точность и чистоту сварки, используются индукторы. Эти устройства необходимы для индукционного нагрева металлических заготовок.

Применение такого оборудования позволяет буквально за несколько секунд нагреть детали до нужной температуры, при которой металл становится мягким и легко поддается сварке. В продаже имеется большой выбор оборудования для индукционного нагрева металлических заготовок. Модели отличаются по мощности, рабочему напряжению и частоте тока, стоимости, конструктивным особенностям и другим критериям. Вы легко подберете устройство для индукционного нагрева, которое отвечает конкретным требованиям и устраивает по цене.

Устройство индуктора

Техника для индукционного нагрева металлов имеет сборную конструкцию. Она состоит из двух основных узлов – самого индуктора, а также генерирующей установки, которая вырабатывает высокочастотные импульсы тока.

Индуктор представляет собой обыкновенную катушку индуктивности, состоящую из нескольких витков медного проводника. Для производства этих компонентов используется только бескислородная медь, в которой содержание посторонних примесей не должно превышать 0,1 %. Данное устройство может иметь различный диаметр (от 16 до 250 мм в зависимости от модели). Количество витков варьируется в пределах от 1 до 4.

Генератор, вырабатывающий импульсные токи для катушки индукционного нагрева, имеет достаточно внушительные габариты и массу. Он может быть выполнен по любой схеме генерации высокочастотных импульсов. К примеру, в современной промышленности часто используются генерирующие агрегаты, построенные на базе мультивибраторов, RC-генераторов, релаксационных контуров и т. д.

Если оборудование используется преимущественно для нагрева мелких деталей, частота вырабатываемых импульсов должна составлять не менее 5 МГц. Эти агрегаты разрабатываются на основе электронных ламп. Если же техника применяется для нагрева крупных металлических заготовок, целесообразно использовать индукционные установки с рабочей частотой до 300 кГц, построенные на базе инверторов на IGBT-схемах или MOSFET-транзисторах.

Принцип работы индукторов

Устройства для индукционного нагрева металлов работают по простому принципу, базирующемуся на явлении электромагнитной индукции. Когда через катушку проходит переменный ток высокой частоты, вокруг и внутри нее образуется мощное магнитное поле. Оно вызывает появление вихревых токов внутри обрабатываемой металлической заготовки.

Поскольку деталь, как правило, имеет крайне малое электрическое сопротивление, она быстро нагревается под воздействием вихревых токов. В итоге ее температура увеличивается до такой степени, что металл становится более мягким и начинает плавиться. Именно в этот момент выполняется сваривание концов обрабатываемых заготовок.

Основные разновидности индукторов

В современной промышленности получили широкое распространение три типа агрегатов для индукционного нагрева металлических деталей:

  • трубчатые. Внешне такие устройства напоминают бытовые кипятильники. Индукторы состоят из 2, 3 или 4 витков медного проводника, поверхность которого обработана специальным защитным покрытием. Эти агрегаты применяются для индукционного нагрева небольших деталей. Внутренние диаметры рабочих элементов, как правило, варьируются в диапазоне от 16 до 90 мм;
  • ленточные. Отличительной особенностью оборудования этого типа является увеличенный внутренний диаметр. Данный параметр может варьироваться в пределах от 28 до 250 мм. Большинство моделей ленточных индукторов состоит из 1 или 2 витков. Витки помещены в защитную ленточную оболочку;
  • сборные. Оборудование данного вида применяется для индукционного нагрева больших металлических заготовок. Внутренний диаметр рабочих элементов составляет от 70 до 610 мм. Мощность нагрева для некоторых моделей этих устройств может достигать 400 кВт;

Преимущества индукционного нагрева

Технология индукционного нагрева обладает рядом преимуществ.

  • Индукционное оборудование позволяет быстро разогревать и плавить любые металлические детали. Термическая обработка заготовок при этом может проводиться в десятки раз быстрее, чем при применении газовых горелок. Индукционный агрегат позволяет получить нужную температуру детали буквально за несколько секунд.
  • Нагрев можно проводить в различной среде. К примеру, индукционный агрегат вместе с заготовкой могут помещаться в атмосферу защитного газа, окислительную или восстановительную среду, жидкость и даже вакуум. Стандартные устройства газового разогрева не могут использоваться в подобных условиях.
  • Процесс индукционного нагрева происходит исключительно за счет тепловой энергии, которая выделяется при прохождении вихревых токов через заготовку. Поэтому поверхность детали не загрязняется продуктами горения факела (как при газопламенном нагреве) или веществом электрода (как при дуговой сварке).
  • Агрегаты индукционного нагрева можно использовать в любых условиях, даже в плохо проветриваемых и закрытых помещениях. Это обусловлено тем, что в процессе работы такое оборудование не загрязняет окружающий воздух продуктами сгорания.
  • Индукторы можно использовать для местного и избирательного нагрева заготовок, при котором нужно повысить температуру не всей детали, а отдельных ее частей.

Недостатки технологии

Метод индукционного нагрева металлических заготовок имеет и некоторые недостатки, которые обязательно нужно учесть, прежде чем приступить к работе с оборудованием.

  • Индукторы имеют достаточно сложную конструкцию. Для работы с ними, их ремонта и обслуживания нужно привлекать квалифицированных специалистов, прошедших соответствующую подготовку.
  • Для полноценной эксплуатации устройств индукционного нагрева требуется мощный источник электрической энергии. Также необходимо иметь специальный бак и насос, чтобы обеспечить качественное охлаждение агрегата.
  • Несмотря на довольно компактные размеры самого индуктора, вся установка в комплекте с генератором занимает много места и имеет большой вес. Поэтому такая техника непригодна для работы в полевых условиях. Ее целесообразно использовать для стационарной установки в помещениях. Для выездных работ лучше применять другие виды техники для нагрева металлических деталей.

Как индукционный нагрев применяется в сварке

Процесс сваривания металлических деталей при помощи устройств индукционного нагрева происходит следующим образом. Свариваемые заготовки помещаются внутрь витков индуктора, на него подается ток высокого напряжения и частоты. В этот момент возникают вихревые токи, в результате чего детали быстро нагреваются. Противоположные края свариваемых заготовок сближают по направлению друг к другу, располагая их под некоторым углом.

В момент, когда детали соприкасаются, между их кромками образуется V-образная щель. Вихревые токи, сгенерированные в заготовках, встречают на своем пути эту щель и отклоняются ближе к вершине угла схождения. В силу поверхностного эффекта электрический заряд сосредоточивается на краях свариваемых деталей, и именно в этих точках нагрев происходит более интенсивно. В конечном итоге кромки заготовок плавятся и соединяются между собой. По мере их сваривания положение деталей выравнивается до горизонтального, V-образная щель исчезает, и металлические элементы прочно привариваются друг к другу.

Сходства и различия между асинхронным двигателем и трансформатором

Между асинхронным двигателем и трансформатором есть много общего и различного.

Сходства между асинхронным двигателем и трансформатором

  1. Асинхронный двигатель похож на трансформатор с вращающейся короткозамкнутой вторичной обмоткой.
  2. Обмотка статора асинхронного двигателя соответствует первичной обмотке трансформатора, а обмотка ротора асинхронного двигателя соответствует вторичной обмотке трансформатора.
  3. Обе машины работают по принципу электромагнитной индукции.
  4. Эквивалентная схема и векторная диаграмма обеих машин практически одинаковы.
  5. В трансформаторе электрическая нагрузка подключается через вторичную обмотку. Если нагрузка увеличивается, вторичный ток увеличивается и, следовательно, увеличивается первичный ток. То же самое и с асинхронным двигателем. В этом случае механическая нагрузка связана с валом ротора, и первичный ток заменяется током статора, а вторичный ток заменяется током ротора. Теперь, если механическая нагрузка увеличивается, ток ротора асинхронного двигателя увеличивается и, следовательно, увеличивается ток статора.

Различия между асинхронным двигателем и трансформатором

Но есть и отличия.

  1. Асинхронный двигатель преобразует электрическую энергию в механическую. Другими словами, асинхронный двигатель потребляет электрическую энергию, а выход - механическую. В случае трансформатора входом и выходом является электрическая энергия.Трансформатор используется для преобразования уровня напряжения в электрическую мощность.
  2. В случае асинхронного двигателя путь потока полностью проходит через воздушный зазор. Это означает, что между обмоткой статора и обмоткой ротора есть воздушный зазор. В случае трансформатора путь потока проходит через сердечник. Сердечник изготовлен из материала с низким сопротивлением. Следовательно, ток намагничивания асинхронного двигателя составляет около 30-40% от номинального тока, а ток намагничивания в трансформаторе составляет около 1-5% от номинального тока.
  3. Трансформатор - статическое устройство, а асинхронный двигатель - вращающееся устройство. По этой причине КПД асинхронного двигателя ниже КПД трансформатора.
  4. В трансформаторе обе обмотки распределяются по периферии воздушного зазора. В случае трансформатора обмотка сосредоточена на сердечнике. Следовательно, реактивное сопротивление рассеяния асинхронного двигателя больше, чем у трансформатора.
  5. В асинхронном двигателе напряжение, реактивное сопротивление и частота ротора пропорциональны скольжению s.Точно так же в трансформаторе частота постоянна. Для любого значения скольжения s значения ротора:

ЭДС на фазу (E2 ’= sE2)
Реактивное сопротивление на фазу (X2’ = sX2)
Частота (f ’= sf)

Статьи по теме

Трансформатор: конструкция и классификация

Трехфазный асинхронный двигатель: конструкция и классификация

всего просмотров 1463, сегодня просмотров 5

Трансформаторы

, часть 1 - Руководство по электронике для новичков

Трансформаторы, часть 1 - Руководство по электронике для начинающих
Верх
Elliott Sound Products Руководство по трансформаторам для начинающих - часть 1
© 2001 - Род Эллиотт
Страница опубликована и обновлена ​​в ноябре 2018 г.
Указатель статей
Основной указатель

Содержание - Часть 1
Предисловие

Одна вещь, которая явно сбивает с толку многих, - это идея плотности потока внутри сердечника трансформатора.Хотя это более подробно рассматривается в Разделе 2, важно, чтобы информация этого раздела запоминалась на каждом этапе чтения этой статьи. Для любого силового трансформатора максимальная магнитная индукция в сердечнике достигается при простое трансформатора. Повторюсь, это очень важно ...

Для любого силового трансформатора максимальная плотность потока достигается, когда трансформатор находится в режиме ожидания.

Идея противоречит интуиции, она даже почти не имеет смысла.Как бы то ни было, это факт, и его отсутствие разрушит ваше понимание трансформаторов. На холостом ходу обратная ЭДС трансформатора практически полностью компенсирует приложенное напряжение. Протекающий небольшой ток поддерживает плотность потока на максимально допустимом значении и представляет потери в стали (см. Раздел 2). Поскольку ток отводится от вторичной обмотки, поток немного падает. Причина этого кроется в конечном сопротивлении обмотки и в законе Ома.

Неважно, что вы понимаете причины этого с самого начала, но - это важно, чтобы вы помнили, что для любого силового трансформатора максимальная плотность потока достигается, когда трансформатор находится в режиме ожидания .Пожалуйста, не забывай этого.

В другом месте в сети вы найдете утверждения о том, что максимальная мощность, доступная от трансформатора, ограничена насыщением сердечника - это чушь, полная ложь и необходимо игнорировать , иначе
вы никогда не поймете трансформаторы должным образом!
Информация, представленная здесь, является точной и правильной, и любой, кто утверждает иное, неправильно! Это может показаться резким, но, тем не менее, это правда.

Еще нужно задуматься об индуктивности трансформатора. Принято считать, что трансформатор - это индуктивная нагрузка, но ... это верно только при отсутствии нагрузки или при очень небольшой нагрузке . Когда трансформатор нагружен до номинальной мощности резистивной нагрузкой, индуктивная составляющая незначительна. Когда любой трансформатор подает что-либо от 5% до 100% от его полного тока нагрузки, индуктивная составляющая подавляется током нагрузки, и фазовый угол (Φ) между первичным напряжением и током минимален.Более подробно все это объясняется ниже.


'Окружное течение' (добавлено в июле 2020 г.)

Существует некоторая путаница из-за статьи в Википедии, посвященной тороидальным трансформаторам (по состоянию на июль 2020 г.). Практически все, что нужно знать, исключено, но есть продолжительная дискуссия о «окружном токе». Во-первых, я не отрицаю, что он существует, но я знаю из многолетнего опыта (наряду с множеством измерений), что это не имеет значения для 99,9% пользователей.На мой взгляд, страница была взломана кем-то, кто либо хочет показать, насколько он умен, либо просто хочет продвинуть эту конкретную тему по неизвестным причинам.

Стоит отметить, что ссылки, представленные в статье Википедии, (в основном) бесполезны, и некоторые из них возвращают вас на страницу, где цитируется ссылка. Довольно много людей очень недовольны страницей, и один из участников описал ее как «как руководство IBM; полное совершенно правильной, но совершенно бесполезной информации».

Все трансформаторы имеют некоторую «утечку» магнитного потока, и воображать иначе… неразумно. Важно то, вызывает ли утечка флюса какие-либо проблемы с разумной компоновкой. Ответ на этот вопрос - «нет». Прокладка даже кабеля динамика через тороидальный трансформатор обычно вызывает «гудение» в динамике (из-за нелинейного тока намагничивания), но это не то, как люди подключают усилители. Точно так же следует избегать прокладки проводки постоянного тока поверх (или непосредственно рядом с) любого трансформатора .Утечка магнитного потока и / или окружной ток вызывают мало проблем для любого, кто понимает, что периферия любого трансформатора электрически враждебна. Единственное корректирующее действие, необходимое для тороидального трансформатора, - поддержание «безопасного» расстояния, которое обычно не должно превышать 25 мм. Если проводка находится на таком расстоянии (или более), помехи обычно незначительны.

Чтобы доказать (по крайней мере, себе), что я не ошибаюсь, я использовал тороидальный трансформатор на 300 ВА и исследовал его во всех направлениях с помощью одного петлевого детектора, усиленного в 1000 раз (да, 60 дБ).Я слушал результат через усилитель и динамик. Как и ожидалось, наибольший поток утечки наблюдается там, где выводы выводятся, потому что возникает разрыв, когда выводы выводятся из обмоток. Петля зонда должна быть в пределах 10 мм или около того от обмоток, чтобы обнаружить что-либо существенное. Если проткнуть петлю зонда внутрь отверстия в середине трансформатора, это дает наивысшее значение, но это пространство всегда используется только для монтажного болта.

Я не показывал формы сигналов и амплитуду и не пытался измерить ток, который может возникнуть в контуре с низким сопротивлением. Я этого не делал по одной простой причине - нет точки . Мы, , знаем, что будет утечка магнитного потока и / или «окружной ток», но нам все равно. Это ничего не меняет, и мы все можем продолжать использовать тороидальные трансформаторы, как если бы этих вещей не существовало. Это может быть важно для некоторых коммутационных приложений, где сложно полностью окружить сердечник обмотками, и могут быть другие приложения, где это важно. Блоки питания аудио не затронуты!


Введение

Эта статья посвящена трансформаторам, используемым в типичных проектах электроники, источниках питания и т.п.Стандарт , а не , не распространяется на большие трансформаторы, используемые на подстанциях и в электросети в целом (кроме попутных), хотя обсуждаемые факторы также применимы к этим гораздо более крупным трансформаторам. В машиностроении трансформатор - одна из самых эффективных машин, которые есть в нашем распоряжении, но те, которые используются для распределения и промышленности, являются (большим) шагом вперед по сравнению с теми, с которыми мы обычно работаем.

Основы, которые позволяют нам использовать электромагнетизм, были открыты только в 1824 году, когда датский физик Ганс Эрстед обнаружил, что ток, протекающий по проводу, отклоняет стрелку компаса.Через несколько лет после этого было обнаружено, что движущееся магнитное поле индуцирует ток в проводе. От этой, казалось бы, базовой концепции, область электромагнетизма выросла до такой степени, что общество в том виде, в каком мы его знаем, не существовало бы без множества машин, использующих эти открытия.

Принципы магнитной индукции охватываются законом Фарадея, названным в честь Майкла Фарадея, британского ученого, который первым количественно оценил вовлеченные процессы (1831 г.). Основные принципы были независимо открыты Джозефом Генри (в честь которого названа единица индуктивности) в 1832 году.«Закон индукции» Фарадея описывает способ, которым (нестатическое) магнитное поле индуцирует ток в проводе, и, наоборот, как ток в проводе создает магнитное поле. Трансформаторы основаны на принципе постоянно меняющегося магнитного поля (создаваемого первичной обмоткой), которое взаимодействует со вторичной обмоткой, генерируя переменное напряжение (и ток при нагрузке) во вторичной обмотке. Экспериментальные данные Фарадея были преобразованы в уравнения Джеймсом Клерком Максвеллом и добавлены и расширены Оливером Хевисайдом.Эмиль Ленц сформулировал концепцию «обратной ЭДС» (электродвижущей силы), где полярность тока в проводе (или обмотке) создает магнитное поле, которое противодействует магнитному полю, приложенному к обмотке (1834).

Все эти концепции важны, но, к счастью, полное понимание различных законов и формул не является необходимым, чтобы понять, как работает трансформатор. Я говорю «к счастью», потому что многие вычисления обширны и трудны для большинства нематематиков.Большинство из них даже не является обязательным требованием при проектировании трансформаторов, тем более что существует множество практических правил, которые обычно применяются на этапе проектирования, упрощая процесс.


Когда вы просматриваете эту статью, вас могут простить за восклицание «Это для новичков? - этот человек сошел с ума. Я говорю вам, что сумасшедший!» Вероятно, это справедливый комментарий, но трансформаторы не просты, и нет простого способа предоставить всю информацию, которая вам нужна, чтобы правильно их понять. Здесь есть разделы, которые, вероятно, идут немного глубже, чем я изначально предполагал, но были слишком интересны, чтобы их не учитывать. Хотя это может не выглядеть так, информация здесь упрощена. Это не учебник по теории магнитного поля или глубокое обсуждение плотности потока и того, как она рассчитывается. Эти темы не являются обязательными для понимания того, как работает трансформатор или что с ним можно делать.

Есть части этой статьи, которые вы можете пропустить, но я предлагаю вам прочитать их полностью, если сможете.Полное понимание того, в какой степени вы можете спроектировать свой собственный трансформатор, не является целью, но большая часть информации как минимум интересна и расширит ваши общие знания в области электроники.

Для тех, кто хочет погрузиться глубже, Раздел 2 делает именно это. Рекомендуется прочитать даже новичкам, поскольку о трансформаторах можно много узнать, несмотря на их кажущуюся простоту.

Трансформаторы необходимы для всего современного электронного оборудования, и очень мало устройств, которые их не используют. Каждый тип трансформатора имеет определенное применение, и редко бывает, что трансформатор, предназначенный для одного применения, может использоваться для другой (совершенно другой) цели. Это не означает, что «изменить цель» невозможно, но вы должны знать, что вы делаете, и какие риски могут вас поджидать, чтобы вызвать горе.

Прежде чем приступить к описанию различных типов, необходимо понять основную теорию. Все трансформаторы используют один и тот же основной принцип, и меняются только самые мелкие детали. Трансформатор работает по принципу магнитной связи для передачи энергии с одной стороны (обмотки) на другую.

Трансформаторы

двунаправленные и работают независимо от того, где подключен вход. Они могут работать не так хорошо, как в противном случае, но базовая функциональность не изменилась. Идеальный трансформатор не нагружает источник питания (питание первичной обмотки), если нет нагрузки на вторичную - в реальных компонентах есть потери, так что это не совсем так, но это предположение можно использовать в качестве основы для понимания.

Силовые трансформаторы указаны в вольт-амперах (ВА).Использование ватт бесполезно, так как полностью реактивная нагрузка не рассеивает мощность, но все же есть вольты и амперы. Это продукт реального напряжения и тока, который важен - ваттметр может указывать на то, что в нагрузке мало или совсем нет реальной мощности, но трансформатор все еще подает напряжение и ток и будет нагреваться из-за внутренних потери вне зависимости от мощности.

Сердечники трансформатора имеют указанную проницаемость, которая является мерой того, насколько хорошо они «проводят» магнитное поле.Магнетизм будет придерживаться пути наименьшего сопротивления и останется в ядре с высокой проницаемостью с небольшой утечкой. Чем ниже проницаемость, тем больше утечка потока из керна (это, конечно, грубое упрощение, но достаточно хорошо, чтобы дать начальное объяснение этого термина).

Трансформатор может быть изготовлен из различных материалов в качестве сердечника (магнитопровода). К ним относятся . ..

  • Air - обеспечивает наименьшую связь, но идеален для высоких частот (особенно RF).Проницаемость 1.
  • Железо - неправильное название, так как все трансформаторы с сердечником из железа являются стальными с различными добавками для улучшения магнитных свойств. Начальная проницаемость обычно около 500 и выше.
  • Порошковое железо - стальные магнитные частицы, сформированные в сердечник, скрепленные связующим веществом и обожженные при высокой температуре для создания керамический материал с очень хорошими свойствами на средних и высоких частотах (более 1 МГц). Особенно подходит для приложений, где есть значительная составляющая постоянного тока в обмотке или при очень большой мощности.Начальная проницаемость обычно составляет 40-90.
  • Феррит - магнитная керамика, обычно использующая экзотические магнитные материалы для получения чрезвычайно высокой проницаемости и отличных высоких частот. производительность (от 50 кГц до более 1 МГц). Доступен удивительный диапазон различных составов для разных областей применения. Начальная проницаемость примерно от 500 до 9000 и более.

Проницаемость указана выше как «начальная проницаемость» - фактическая проницаемость материалов керна, кроме воздуха (обозначается как µ i).Это параметр «слабого сигнала», который почти всегда уменьшается при значительных уровнях магнитного потока. Фактические характеристики ( эффективная проницаемость - µ e) зависят от материала и напряженности поля, и здесь это не рассматривается. См. Термины и определения (от Hitachi Metals), если вам нужны более полные объяснения.

Технически и порошковое железо, и ферриты классифицируются как мягкие (см. Ниже) ферриты, но они имеют очень разные характеристики, даже в пределах одного «семейства».Как правило, они не подходят для работы на низких частотах, за исключением низких уровней. Ферриты часто используются в качестве трансформаторов сигналов (например, изолирующих трансформаторов для телекоммуникаций или других приложений с малыми сигналами), где высокая проницаемость делает их идеальным выбором для небольших размеров и высокой индуктивности.

Материалы сердечника обычно классифицируются как «мягкие» - это не имеет ничего общего с их физическими свойствами (все они от твердого до очень твердого), но указывает на их способность сохранять магнетизм (остаточную намагниченность).Магнитно-мягкий материал имеет низкую намагничиваемость и его трудно намагнитить. Жесткие магнитные материалы используются для «постоянных» магнитов, и они обладают очень высокой остаточной магнитной индукцией, то есть сохраняют очень большую часть исходного магнитного поля, которое было наведено в них во время производства.

Во всех импульсных источниках питания используются ферритовые трансформаторы, поскольку обычные пластинки невозможно сделать достаточно тонкими, чтобы предотвратить огромные потери в сердечнике. Для любого основного материала существует множество ограничений.Для низкочастотных источников питания кремнистая сталь с ориентированной зернистой структурой (около 4% кремния) является наиболее распространенной, так как она имеет очень высокую плотность магнитного потока до насыщения. Большинство других материалов уступают в этом отношении, что является одной из основных причин, по которым этот материал до сих пор так распространен. К специализированным материалам относятся MuMetal (он же µMetal, Mu-Metal и т. Д.) И Permalloy, и это материалы сердечника (и магнитного экранирования) с очень высокой проницаемостью.

Выше показан небольшой образец некоторых трансформаторов (не в масштабе).Тороидальные трансформаторы и трансформаторы E-I имеют одинаковую номинальную мощность, а также показан небольшой набор небольших трансформаторов и вставной блок (настенный трансформатор, стенная бородавка и т. Д.).


1. Магнетизм и индукторы

Трансформатор состоит из двух (или более) катушек индуктивности, имеющих общий магнитный путь. Любые две катушки индуктивности, размещенные достаточно близко друг к другу, будут работать как трансформатор, и чем сильнее они связаны магнитным полем, тем эффективнее они становятся.Вот почему пассивные кроссоверные сети громкоговорителей должны иметь индукторы, ориентированные по-разному - чтобы они не работали как трансформатор.

Когда изменяющееся магнитное поле находится рядом с катушкой с проволокой (индуктором), в катушке индуцируется напряжение, соответствующее приложенному магнитному полю. Статическое магнитное поле не действует и не генерирует выходной электрический ток. Те же принципы применимы к генераторам, генераторам переменного тока, электродвигателям и громкоговорителям, хотя эта статья действительно была бы очень длинной, если бы я охватил все существующие устройства магнитного поля.

Когда электрический ток пропускается через катушку с проводом, создается магнитное поле - это работает с переменным или постоянным током, но с постоянным током магнитное поле, очевидно, статично. По этой причине трансформаторы не могут использоваться напрямую с постоянным током, потому что, хотя магнитное поле существует, оно должно быть , изменяя , чтобы вызвать напряжение в другой катушке. Статическое магнитное поле не может создавать выходное напряжение / ток.

Попробуйте этот эксперимент. Возьмите катушку с проводом (для этого подойдет кроссоверная катушка динамика) и магнит.Подключите мультиметр (желательно аналоговый) к катушке и установите диапазон на наиболее чувствительный диапазон тока на измерителе. По мере того, как вы перемещаете магнит к катушке или от нее, вы увидите ток, показанный отклонением стрелки измерителя. При повороте магнита в одну сторону ток будет положительным, а в другую - отрицательным. Чем выше индуктивность катушки и чем сильнее магнит (и / или чем ближе он к катушке), тем больше будет индуцированный ток.

Двигайте магнит медленно, и сила тока будет меньше, чем при быстром перемещении.Оставьте его неподвижным, и ток вообще не будет, независимо от того, насколько близко может быть магнит. Это принцип магнитной индукции, и он применим ко всем катушкам (действительно, ко всем кускам провода, хотя катушка усиливает эффект).

Если теперь вы возьмете пригоршню гвоздей и поместите их через центр катушки, вы увидите, что ток увеличился во много раз - магнитное поле теперь более сконцентрировано, потому что стальные гвозди создают лучший магнитный путь, чем воздух.

Легкость, с которой любой материал может переносить магнитное поле, называется проницаемостью (или, точнее, начальной проницаемостью ), и разные материалы имеют разные проницаемости. Некоторые из них оптимизированы особым образом для конкретных требований - например, сердечники, используемые для трансформатора импульсного источника питания, сильно отличаются от сердечников, используемых для обычных сетевых трансформаторов 50/60 Гц.

Проницаемость сердечников трансформаторов сильно различается в зависимости от материала и применяемой обработки.Проницаемость воздуха равна 1, и большинство традиционных кернов имеют гораздо более высокую (т.е.> 1) проницаемость. Пара заметных исключений - это алюминий и латунь, которые иногда используются для уменьшения индуктивности катушек с воздушным сердечником в радиочастотной (RF) работе. Это гораздо реже, чем ферритовый сердечник, который увеличивает индуктивность и используется для настройки многих ВЧ трансформаторов.

Помимо проницаемости, магнитопроводы (за исключением воздуха) имеют максимальный магнитный поток, с которым они могут работать без насыщения.В этом контексте насыщение означает то же самое, что и в большинстве других: когда полотенце пропитано, оно не может больше удерживать воду, а когда магнитный сердечник насыщен, он больше не может переносить магнитный поток. В этот момент магнитное поле больше не меняется, поэтому ток в обмотке не индуцируется.

Вы не сможете пропитать ногти магнитом, так как между двумя полюсными наконечниками очень большой воздушный зазор. Это означает, что сердечник всегда сможет поддерживать магнитный поток, но эффективность также будет намного ниже, потому что магнитная цепь разомкнута.Почти все трансформаторы, которые вы увидите, имеют полностью замкнутую магнитную цепь, чтобы гарантировать, что как можно большая часть наведенного на сердечник магнетизма пройдет через обмотку (и).

Бывают случаи, когда крошечный воздушный зазор будет намеренно оставлен, и это делается обычно, когда трансформатор или катушка должны выдерживать значительную составляющую постоянного тока, а также переменного тока. Об этом вкратце рассказывается ниже, но больше по этому поводу во втором разделе статьи.


Рисунок 1.1 - Основные принципы работы трансформатора

На Рисунке 1.1 показаны основные элементы всех трансформаторов. Катушка (первичная) подключена к источнику переменного напряжения - обычно это сеть для силовых трансформаторов. Поток, наведенный в сердечник, передается во вторичную обмотку, в обмотке индуцируется напряжение, и через нагрузку создается ток.

На схеме также показаны различные части трансформатора. Это простой трансформатор с двумя обмотками. Первичная обмотка (обозначенная как таковая при проектировании) будет индуцировать магнитное поле в сердечнике в соответствии с током, создаваемым приложенным напряжением переменного тока.Магнитное поле концентрируется сердечником, и почти все оно также проходит через обмотки вторичной обмотки, где индуцируется напряжение. Сердечник в этом случае типичен для конструкции трансформатора «C-Core», где первичная и вторичная обмотки иногда разделены. Более распространенным является «традиционный» тип E-I (ee-eye), который, хотя и несколько не в моде, в наши дни все еще широко используется. Это показано ниже.

Величина напряжения во вторичной обмотке определяется по очень простой формуле, которая определяет отношение витков (N) компонента - это традиционно рассчитывается путем деления витков вторичной обмотки на витки первичной обмотки...

1.1.1 N = Ц / Тп

Tp - это просто количество витков провода, составляющего первичную обмотку, а Ts - количество витков вторичной обмотки. Трансформатор с 500 витками на первичной обмотке и 50 витками на вторичной имеет отношение витков 1:10 (т.е. 1/10 или 0,1)

1.1.2 Vs = Vp × N

Обычно вы никогда не узнаете количество витков, но, конечно, мы можем просто перевернуть формулу, чтобы соотношение витков можно было вывести из первичного и вторичного напряжений...

1.1.3 N = Vs / Vp

Если напряжение 230 В (естественно, переменного тока) приложено к первичной обмотке, мы ожидаем 23 В на вторичной обмотке, и это действительно то, что будет измеряться. У трансформатора есть дополнительная полезная функция - «трансформируется» не только напряжение, но и ток.

1.1.4 Is = Ip / N

Если в приведенном выше примере из вторичной обмотки потребляется ток 10А, то логически в первичной обмотке будет измеряться ток 1А - напряжение уменьшается, но увеличивается ток.Так было бы, если бы трансформатор был на 100% эффективен, но даже эта самая эффективная «машина», которая у нас есть, к сожалению, никогда не будет идеальной. В результате при потреблении 10 А от вторичной обмотки напряжение будет меньше, чем 23 В, которые были у нас без нагрузки. Это мера регулирования трансформатора, и большая часть падения напряжения происходит из-за сопротивления обмотки.

При использовании больших трансформаторов для национальной энергосистемы, КПД трансформаторов обычно превышает 95%, а у некоторых достигает 98% (или даже больше).

Меньшие трансформаторы всегда будут иметь более низкий КПД, но блоки, обычно используемые в усилителях мощности, могут иметь КПД до 90% для больших размеров. Причины потери мощности станут ясны (я надеюсь) по мере нашего продвижения. Пока что для простоты будем считать трансформатор «идеальным» (то есть без потерь).


Рисунок 1.2 - Ламинирование E-I

Обычный набор для ламинирования E-I все еще широко используется, и стоит упомянуть несколько важных моментов.Центральная ножка всегда в два раза больше ширины внешних ножек, чтобы сохранить площадь поперечного сечения. Точно так же ламинация «I» и «задняя часть» буквы E имеют такую ​​же ширину (или иногда немного больше) внешних ножек. Окно обмотки - это место, где живут медные обмотки, и в хорошо спроектированном трансформаторе оно будет почти полностью заполнено. Это максимизирует количество меди и снижает резистивные потери, поскольку обмотки имеют максимальную толщину.

См. Раздел 2, чтобы узнать, как определяются размеры пластин E и I.Это обычно называют ламинированием без царапин и практически исключает любые потери материала.


2. Терминология магнитного сердечника

Этот список далеко не полный, но его будет достаточно, чтобы либо начать, либо отпугнуть. Я включил символы и единицы только трех записей ниже, поскольку большинство из них не представляют реального интереса.

Коэрцитивная сила - это напряженность поля, которая должна быть применена для уменьшения (или coerce ) остаточного потока до нуля.Материалы с высокой коэрцитивной силой (например, те, которые используются для постоянных магнитов) называются жесткими . Материалы с низкой коэрцитивной силой (используемые для трансформаторов) называются soft .

Эффективная площадь - сердечника - это площадь поперечного сечения центральной ветви для пластин E-I или общая площадь для тороида. Обычно это соответствует физическим размерам сердечника, но поскольку поток может распределяться неравномерно, производитель может указать значение, которое отражает это.

Эффективная длина - сердечника - это расстояние, которое проходит магнитный поток при замыкании цепи. Обычно это близко соответствует среднему физическому размеру сердечника, но поскольку поток имеет тенденцию концентрироваться на внутренних углах пути, производитель может указать значение эффективной длины.

Плотность потока - (символ; B, единица; тесла (Т)) - это просто общий поток, деленный на эффективную площадь магнитной цепи, через которую он течет.

Потоковая связь - в идеальном индукторе магнитный поток, создаваемый одним витком, содержался бы во всех других витках. Настоящие катушки приближаются к этому идеалу, когда другие размеры катушки малы по сравнению с ее диаметром или если подходящий сердечник направляет поток через обмотки.

Магнитодвижущая сила - MMF можно рассматривать как магнитный эквивалент электродвижущей силы. Это произведение тока, протекающего в катушке, и количества витков, составляющих катушку.

Напряженность магнитного поля - (обозначение: H, единица измерения; амперметры (A · m -1 )), когда ток течет по проводнику, он всегда сопровождается магнитным полем. Сила или интенсивность этого поля пропорциональна величине тока и обратно пропорциональна расстоянию от проводника (отсюда и надстрочный индекс -1).

Магнитный поток - (обозначение:; единица измерения: Веберс (Вб)) мы относимся к магнетизму в терминах силовых линий или магнитных линий, которые являются мерой общей величины магнетизма.

Проницаемость - (символ; µ, единицы: генри на метр (Hm -1 ) определяется как отношение плотности потока к напряженности поля и определяется типом материала в магнитном поле, т. Е. Сердечником Сам материал. Большинство ссылок на проницаемость на самом деле относятся к «относительной проницаемости», поскольку проницаемость почти всех материалов изменяется в зависимости от напряженности поля (и в большинстве случаев также от температуры).

Remanence - (или остаток) - это плотность магнитного потока, которая остается в магнитном материале, когда внешнее приложенное поле удаляется.Трансформаторы требуют минимально возможной намагниченности, в то время как постоянные магниты требуют высокой намагниченности.

Saturation - точка, в которой ядро ​​больше не может принимать больше потока. Когда это происходит, первичный ток трансформатора ограничивается только любым последовательным сопротивлением (например, внешним сопротивлением и сопротивлением обмотки). Насыщение сердечника ограничивает пиковое входное напряжение переменного тока для заданного числа витков первичной обмотки. Начало насыщения обычно довольно постепенное, но может быть очень резким для некоторых материалов с высокой проницаемостью.

Я упоминаю их здесь для полноты картины, но их реальная важность не обсуждается далее в этом разделе. В разделе 2 этой статьи снова рассматриваются термины, и их важность несколько увеличивается в контексте.


3. Как работает трансформатор

Идеальный трансформатор практически не потребляет ток из сети без нагрузки, поскольку это просто большая индуктивность. Весь принцип работы основан на индуцированном магнитном потоке, который не только создает напряжение (и ток) во вторичной обмотке, но также и в первичной! Именно эта характеристика позволяет любой катушке индуктивности функционировать должным образом, а напряжение, генерируемое в первичной обмотке, называется «обратной ЭДС» (электродвижущая сила).Величина этого напряжения такова, что оно почти равно (и составляет , фактически, в той же фазе, что и) приложенной ЭДС.

Хотя для определения напряжения, генерируемого внутри, можно выполнить простой расчет, это бессмысленно, поскольку его нельзя изменить. Для синусоидальной формы волны ток через катушку индуктивности отстает от напряжения на 90 градусов. Поскольку индуцированный ток отстает на 90 градусов, внутреннее генерируемое напряжение сдвигается на назад, на снова на 90 °, поэтому оно находится в фазе с входным напряжением.Для простоты представьте себе индуктор или трансформатор (без нагрузки) с приложенным напряжением 230 В. Чтобы эффективная обратная ЭДС сопротивлялась полному приложенному напряжению переменного тока (как и должно), фактическая величина наведенного напряжения (обратная ЭДС) составляет чуть менее 230 В. Выходное напряжение трансформатора всегда совпадает по фазе с приложенным напряжением (в пределах нескольких тысячных градуса).

Например ... первичная обмотка трансформатора, работающая от входного напряжения 230 В, потребляет 15 мА из сети на холостом ходу и имеет сопротивление постоянному току 2 Ом.Обратной ЭДС должно быть достаточно, чтобы ограничить ток через сопротивление 2 Ом до 15 мА, поэтому будет достаточно близко к 229,97 В (30 мВ на 2 Ом составляет 15 мА). В реальных трансформаторах есть дополнительные сложности, которые увеличивают общий ток (в частности, потери в стали и / или частичное насыщение), но принцип не сильно изменился.

Если все это слишком сбивает с толку, не беспокойтесь об этом. Если вы не собираетесь посвятить свою карьеру проектированию трансформаторов, эта информация на самом деле мало полезна для вас, так как вы ограничены «реальными» характеристиками компонентов, которые вы покупаете - внутреннее устройство не имеет большого значения.Даже если вы посвятите свою жизнь дизайну трансформеров, эта информация по большей части останется просто любопытством, так как вы все еще мало что можете с этим поделать.

Когда вы подключаете нагрузку к выходной (вторичной) обмотке, через нагрузку проходит ток, который отражается через трансформатор на первичную обмотку. В результате первичная обмотка теперь должна потреблять больше тока из сети. Возможно, несколько интригующе то, что чем больше тока потребляется из вторичной обмотки, первоначальный сдвиг фазы тока на 90 ° становится все меньше и меньше по мере приближения трансформатора к полной мощности.Коэффициент мощности ненагруженного трансформатора очень низкий, что означает, что, хотя есть вольты и амперы, но есть относительно небольшая мощность. Коэффициент мощности улучшается с увеличением нагрузки и при полной нагрузке будет близок к единице (идеал).

Однако это зависит от нагрузки - нелинейная нагрузка на вторичной обмотке трансформатора отражает нелинейную нагрузку на сеть.

Теперь можно рассмотреть еще один интересный факт о трансформаторах.

Мы будем использовать тот же пример, что и выше.Первичная обмотка 230 В потребляет 1 А, а вторичная 23 В подает 10 А. По закону Ома сопротивление нагрузки (импеданс) составляет 23/10 = 2,3 Ом. Первичное сопротивление должно быть 230/1 = 230 Ом. Это соотношение 100: 1, а соотношение оборотов всего 10: 1 - что происходит?

Коэффициент импеданса трансформатора равен квадрату отношения витков ...

3.1.1 Z = N²
Трансформаторы

обычно проектируются в зависимости от требуемой мощности, и это определяет размер сердечника для данного материала сердечника.Исходя из этого, можно определить необходимое число витков на вольт на основе максимальной плотности потока, которую может выдержать материал сердечника. Опять же, это сильно зависит от материалов сердечника.

Можно применить эмпирическое правило, согласно которому площадь сердечника для «стандартных» (если действительно существует) стальных пластин (в квадратных сантиметрах) равна квадратному корню из мощности. Таким образом, трансформатору на 625 ВА потребуется сердечник (как минимум) 25 кв. См, если предположить, что проницаемость сердечника составляет около 500, что довольно типично для стандартных пластин трансформатора.Это также предполагает, что материал сердечника не будет насыщаться с плотностью потока, необходимой для получения этой мощности.

Следующий шаг - вычислить количество витков на вольт первичной обмотки. Это зависит от частоты, но для трансформатора с частотой 50 Гц количество витков на вольт (приблизительно) составляет 45, деленное на площадь сердечника (в квадратных сантиметрах). Для трансформатора на 60 Гц требуется меньше витков, а число витков на вольт будет около 38 на площадь жилы. Материалы сердечника с более высокими рабочими характеристиками могут допускать более высокую плотность магнитного потока, поэтому возможно меньшее количество витков на вольт, что повышает общую эффективность и регулирование.Эти расчеты необходимо производить осторожно, иначе трансформатор будет перегреваться без нагрузки.

Для трансформатора 625 ВА вам потребуется около 432 витков для первичной обмотки 230 В, хотя на практике это может быть меньше этого значения. Кремнистые стали с ориентированной структурой, используемые в трансформаторах более высокого качества, часто допускают более высокий общий магнитный поток на единицу площади, и потребуется меньше витков.

Вы можете определить количество витков на вольт любого трансформатора (по причинам, которые станут яснее по мере продвижения), добавив ровно 10 витков тонкого «звонкового провода» или аналогичного изолированного провода к проверяемому трансформатору, намотанному поверх существующих обмоток.При питании от правильного номинального напряжения питания измерьте напряжение на созданной вами дополнительной обмотке. Разделите количество витков (10) на измеренное напряжение, чтобы получить число витков на вольт для этого трансформатора. Например, если вы измеряете 5 В, трансформатор имеет 2 витка на вольт.

Какая вам польза от этого на земле? Что ж, вы можете быть удивлены, что вы можете сделать с этими знаниями. Представьте на мгновение, что у вас есть трансформатор для усилителя мощности приличного размера. Вторичное напряжение составляет 35-0-35 В, что слишком велико для питания цепи предусилителя или даже его источника питания, но вы сможете сделать это с помощью одной обмотки 16 В.Обычно используется другой трансформатор, но вы также можете добавить дополнительную обмотку самостоятельно. Это почти слишком просто с тороидальными трансформаторами, но с другими может быть вообще невозможно. Если трансформатор использует (скажем) 2 витка на вольт, всего 32 дополнительных витка сигнального провода (или эмалированного медного провода) обеспечат 16 В при типичных 100 мА или около того, которые вам понадобятся. Добавьте 10% запаса, и у вас останется только 36 витков, и это можно будет сделать за несколько минут. Убедитесь, что дополнительная обмотка надежно закреплена лентой хорошего качества (настоятельно рекомендуется использовать каптон, если вы можете его достать).Для , а не для используйте обычную электротехническую ленту - она ​​не предназначена для температуры, при которой трансформаторы могут работать при постоянной нагрузке.

ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что нет никакой возможности дополнительного короткого замыкания обмотки между витками - это вызовет эффектный выход дыма из изоляции, и вы можете разрушить сам трансформатор.


3.1 Насыщение ядра

Ток намагничивания, указанный или измеренный для любого трансформатора, обычно представляет собой комбинацию истинного тока намагничивания (который обычно очень низкий) и тока насыщения, который может составлять до половины расчетного тока полной нагрузки для небольших трансформаторов.Любой трансформатор с сердечником (кремнистая сталь, феррит и т. Д.) Перейдет в режим насыщения, если первичное напряжение холостого хода будет увеличено достаточно сильно. Это более подробно рассматривается в Разделе 2.

Насыщение сердечника достигается, когда пиковое входное напряжение достаточно для достижения сердечником максимального номинального потока. Когда плотность потока слишком высока, сердечник больше не может принимать больше и насыщается. Форма волны насыщения показана в разделе 2, и хотя вы можете увидеть указанный «ток намагничивания» трансформатора, это почти всегда первичный ток холостого хода, , включая ток насыщения .

Нереально ожидать, что какой-либо сетевой трансформатор останется значительно ниже насыщения на всех рабочих уровнях. Это потребует, чтобы ядро ​​было намного больше и дороже, чем обычно. Когда плотность потока сердечника превышает примерно 1,4 Тесла (кремнистая сталь), он начинает насыщаться. Как только сердечник на полностью насыщен на , он больше не существует, и ток ограничивается только сопротивлением цепи. Это недопустимо, но частичное насыщение на холостом ходу является обычным явлением, и это увеличивает кажущийся ток намагничивания.

Для трансформаторов, используемых в аудиосистеме (выходные трансформаторы клапанов, микрофонные или «линейные» трансформаторы и т. Д.), Сердечник должен работать значительно ниже насыщения при всех возможных напряжениях и частотах, чтобы предотвратить серьезные искажения. Для силовых трансформаторов характерно небольшое насыщение без нагрузки. Хотя это увеличивает ток холостого хода (и температуру) трансформатора, это также позволяет немного лучше регулировать, поскольку используется меньше витков, что снижает сопротивление обмотки.

Насыщение - это сложный процесс, который не совсем понятен большинству любителей (и даже некоторым профессионалам).Степень допустимой насыщенности зависит от предполагаемого использования и допустимой степени искажения. При уменьшении частоты трансформатор будет больше насыщаться, если входное напряжение остается неизменным. Например, силовой трансформатор, рассчитанный на работу с частотой 60 Гц, обычно сильно насыщается на частоте 50 Гц, даже если напряжение правильное. Нормальная работа может быть восстановлена ​​только в том случае, если входное напряжение уменьшается в том же соотношении, что и частота - от 60 Гц до 50 Гц составляет 17%, поэтому входное напряжение также необходимо уменьшить на 17%, чтобы получить расчетный ток «намагничивания».


4. Интересные факты о трансформаторах

Как обсуждалось выше, отношение импеданса - это квадрат отношения витков, но это только одна из многих интересных особенностей трансформаторов ... (ну, Я, , в любом случае думаю, что они интересны).

Например, можно было бы подумать, что увеличение числа витков приведет к увеличению плотности потока, так как больше витков вносят вклад в магнитное поле. На самом деле, верно обратное, и для того же входного напряжения увеличение числа витков приведет к уменьшению плотности потока и наоборот.Это противоречит интуиции, пока вы не поймете, что увеличение числа витков увеличивает индуктивность и, следовательно, уменьшает ток через обмотку.

Я уже упоминал, что коэффициент мощности (и фазовый сдвиг) изменяется в зависимости от нагрузки, и это (хотя и довольно интересно) не имеет для большинства из нас никаких реальных последствий.

Когда мы получаем ток от вторичной обмотки, возникает очень интересное явление. Поскольку первичный ток увеличивается для питания нагрузки, мы ожидаем, что магнитный поток в сердечнике также увеличится (больше ампер, такое же количество витков, больше потока).На самом деле плотность потока уменьшается! В идеальном трансформаторе без потерь в меди магнитный поток останется прежним - дополнительный ток питает только вторичную обмотку. В реальном трансформаторе при увеличении тока потери пропорционально увеличиваются, а первичное напряжение немного меньше (из-за сопротивления меди), поэтому магнитный поток при полной нагрузке на ниже , чем при отсутствии нагрузки. Об этом стоит немного пошуметь, так как это широко неправильно понимается. Хотя это уже было указано в начале, это настолько важно, что я повторю это еще раз...

Плотность магнитного потока в трансформаторе максимальна при отсутствии нагрузки, и она уменьшается при увеличении нагрузки.


4,1 Индуктивность

Также важно понимать еще один интересный факт о сетевых трансформаторах . Мы склонны полагать, что индуктивность важна - в конце концов, это то, что мешает трансформатору потреблять 10 А или более из сети на холостом ходу. На самом деле, индуктивность обычно не является параметром конструкции, а просто результатом правильного расчета числа витков на вольт.Индуктивность также является туманной цифрой, и ее значение , а не , постоянное, но меняется (или, по крайней мере, кажется, что меняется) в зависимости от условий. Когда у вас есть нужное количество витков первичной обмотки, индуктивность в значительной степени заботится о себе. Быстрый расчет покажет, что я имею в виду.

Предположим, тороидальный трансформатор на 600 ВА с измеренной индуктивностью 52 Гн при 50 Гц. Формула для индуктивности говорит нам, что ток намагничивания будет ...

I mag = V / (2 × π × f × L)
I mag = 230 / (2 × π × 50 × 52) = 14 мА

Однако, когда этот трансформатор испытывается (см. Часть 2 - Ток намагничивания), фактически измеренный ток намагничивания составляет 42 мА - в 3 раза выше ожидаемого.Это происходит потому, что сердечник частично насыщен, а не , а не , потому что индуктивность ниже измеренной или рассчитанной. При работе при (гораздо) более низком напряжении, когда ток намагничивания не искажается (что означает, что нет насыщения сердечника вообще), ток намагничивания подчиняется формуле, показанной выше. Без насыщения сердечника ток определяется индуктивностью, напряжением и частотой, как и в любой катушке индуктивности. Однако трансформаторы (большинство) не являются индукторами как таковые !

Примечание: Для многих других трансформаторов индуктивность составляет проектный параметр (и очень важный).Это относится к трансформаторам, используемым в импульсных источниках питания, или к аудио трансформаторам и другим, где критична низкочастотная характеристика. Это только с трансформаторами частоты сети (50 или 60 Гц), где нас действительно не заботит индуктивность, при условии, что ток намагничивания ощутим. «Разумность» определяется тем, как и где используется трансмиссия, и чего хотел достичь дизайнер. Здесь нет никаких «правил» - если он работает, как требуется (и в соответствии с проектной спецификацией), сохраняет приемлемую температуру, надежен и безопасен, то это все, что имеет значение.

Вот почему производители редко (если вообще когда-либо) указывают индуктивность трансформаторов сетевой частоты. Вместо этого (и если вам повезет), они могут сказать ток намагничивания без нагрузки при номинальном напряжении и частоте. Большинство даже не удосуживаются сказать вам об этом. В конце концов, вы все равно ничего не можете с этим поделать.

В предисловии я упомянул, что трансформатор не является индуктивным при работе с номинальной нагрузкой. Если мы представим себе тот же самый трансформатор, описанный выше (индуктивность 52H), он будет потреблять 14 мА индуктивного тока на холостом ходу (без учета насыщения).Ток будет отставать от напряжения на 90 °, а коэффициент мощности, определяемый cos (Φ), равен cos (90) = 0. Если вторичная обмотка нагружена так, что первичный ток нагрузки составляет всего 14 мА (общий ток теперь составляет 20 мА). , , а не 28 мА, как вы могли предположить), фазовый угол падает до 45 °, а коэффициент мощности увеличивается до cos (45) = 0,707 - при токе нагрузки только 14 мА !

Если нагрузка такова, что первичный ток составляет около 5% или более номинального значения трансформатора (около 130 мА для трансформатора на 600 ВА), фазовый сдвиг составляет всего несколько градусов (около 5.6 °), а коэффициент мощности близок к единице (0,995 для обсуждаемого гипотетического трансформатора). Однако (и это важно) первичный ток является почти идеальным воспроизведением вторичного тока, и, если вторичный ток нелинейный, первичный ток также является нелинейным. Выпрямительные и конденсаторные нагрузки, используемые почти во всех линейных источниках питания, имеют низкий коэффициент мощности, но это связано с нелинейностью , а не с индуктивностью .

Итак, для обычных сетевых трансформаторов индуктивность не является частью спецификации и может считаться «случайной».Он должен существовать, чтобы ограничить ток холостого хода до разумно разумного значения, но наибольшая часть тока намагничивания возникает из-за частичного насыщения. Большинство сетевых трансформаторов необходимо испытывать при напряжении значительно ниже заданного входного напряжения сети, чтобы можно было измерить индуктивность. Типичный трансформатор 230 В должен быть измерен при напряжении не более 50-100 В, чтобы получить фактическую индуктивность.

Измерив индуктивность первичной обмотки, вы быстро обнаруживаете, что эти данные бесполезны - вы ничего не можете с ними поделать, и это ни на йоту не поможет вам понять.Отчасти это связано с тем простым фактом, что он меняется. Поскольку плотность потока внутри сердечника изменяется, также изменяется и измеренная индуктивность, так что это действительно бессмысленный параметр в более широкой схеме вещей. Трансформаторы предназначены для получения требуемых напряжения и тока на вторичной обмотке, а процесс проектирования основан на количестве витков первичной обмотки, необходимых для получения ощутимого тока холостого хода («намагничивания»).

Во многом это баланс. Для данного размера сердечника более высокий ток намагничивания является результатом использования меньшего числа витков на первичной обмотке, и это улучшает регулирование, поскольку провод может быть больше.Однако, если ток холостого хода слишком высок, трансформатор будет перегреваться из-за насыщения сердечника из-за высокого первичного тока. Трансформатор типа , никогда не работающий без нагрузки , может быть сконструирован таким образом, чтобы он был намного меньше, чем в противном случае.

Если мы предположим, что трансформатор для конкретного применения должен обеспечивать хорошее регулирование и что он всегда работает только при полной нагрузке, нет причин делать сердечник настолько большим, насколько это было бы необходимо в противном случае. Мы также можем использовать меньше витков и уменьшить резистивные потери.Современные трансформаторы для микроволновых печей попадают в эту категорию - если они работают без нагрузки, ток намагничивания может быть настолько высоким, что трансформатор может перегреться и выйти из строя, но при нормальной работе (питание магнетрона) они идеально подходят для этой работы. Большинство из них также охлаждаются вентилятором, что позволяет им быть еще меньше!

Когда трансформатор работает только с полной нагрузкой, ток намагничивания больше не является важным фактором, и количество необходимых витков основывается на эффективном напряжении на обмотке при полной нагрузке.Трансформатор мощностью 1 кВт обычно может иметь сопротивление первичной обмотки от 1,0 до 1,2 Ом, но если его можно уменьшить, потери в меди также уменьшатся. При 1 кВт первичный ток составляет 4,35 А, и это снизит напряжение, воспринимаемое трансформатором, возможно, на 5–6 В RMS. Вместо того, чтобы разрабатывать трансформатор для приятного низкого тока намагничивания при 230 В, он может быть рассчитан на несколько более высокий ток намагничивания при 225 В - один только ток намагничивания может составлять 1 или 2 А - возможно, больше.

Попытка измерить индуктивность такого трансформатора - пустая трата времени.Вы сможете измерить это, но чтение не имеет значения. Еще более традиционные сетевые трансформаторы находятся в той же лодке - индуктивность (возможно, с натяжкой) можно считать «показателем качества», но единственное, что действительно имеет значение, - это общий ток намагничивания, включая эффекты частичного насыщения. Не думайте ни на минуту, что обычные сетевые трансформаторы не насыщаются - каждый трансформатор, который я когда-либо измерял, потребляет ток в 2-5 раз больше, чем вы ожидаете, исходя только из одной индуктивности.Конечно, при нормальном рабочем напряжении они неразделимы.

Коэффициент индуктивности любого трансформатора (между первичной и вторичной обмотками) - это квадрат отношения витков. Трансформатор, рассчитанный на сеть 230 В с измеренным выходным напряжением 23 В без нагрузки (полная нагрузка 20 В), имеет коэффициент трансформации 10: 1 (230: 23). Если вы измеряете первичную индуктивность (скажем) 30 Гн, вторичная индуктивность составляет 300 мГн. Это тоже бесполезно, но может пригодиться, если вы хотите использовать трансформатор в обратном направлении, например, с генератором и усилителем мощности.


4,2 Взаимная индуктивность

Одна из причин, вызывающих путаницу, связана с тем, как трансформатор «знает», что кто-то пытается получить ток из вторичной обмотки, поэтому первичный ток может быть увеличен пропорционально. Это происходит из-за взаимной индуктивности (также известной как взаимная связь или просто коэффициент связи) между обмотками. Когда две или более обмоток используют одну и ту же магнитную цепь, они связаны магнитным потоком. В идеальном трансформаторе эта связь равна единице, что означает, что любое возмущение на одной обмотке напрямую связано с другой (конечно, с учетом коэффициента трансформации).

Если связь равна единице, обмотки действуют как единое целое. Электрическое разделение (изоляция) не имеет значения, поэтому попытка отобрать ток из вторичной обмотки ничем не отличается от отвода тока от первичной - две обмотки соединены вместе и неразделимы. Конечно, настоящие трансформаторы не идеальны, но (что может удивить) это лишь немного меняет ситуацию. Это ключ к работе трансформатора, но (несмотря на его большое значение) он мало влияет на конструкцию трансформатора.Это также то, что вы не можете изменить - трансформатор такой, какой он есть, а параметры можно изменить только во время разработки.

Индуктивность утечки уменьшает взаимную индуктивность, предотвращая единичную связь. Однако в преобразователях частоты это практически ничего не меняет. Даже «обычные» трансформаторы (с ламинированием E-I) имеют сравнительно низкую индуктивность рассеяния (по сравнению с индуктивностью первичной обмотки), а тороидальные трансформаторы имеют очень низкую индуктивность рассеяния . Любой поток, который «просачивается» из сердечника, не может проходить через две обмотки одинаково, что снижает эффективный поток во вторичной обмотке и уменьшает связь между ними.

Связь такова, что если вы управляете сетевым трансформатором от генератора сигналов с низким импедансом, все, что находится во вторичной обмотке, отражается обратно в первичную. Если нагрузка представляет собой конденсатор, первичная обмотка будет казаться емкостной (опережающий коэффициент мощности). Когда нагрузка представляет собой резистор, первичная обмотка кажется резистивной. Первичная обмотка будет индуктивной только , если нагрузка является индуктором. Чтобы провести этот тест (который нетрудно сделать), ток, потребляемый от вторичной обмотки, должен быть как минимум в 10 раз (а предпочтительно в 100 раз) больше, чем ток намагничивания (ток холостого хода из-за индуктивности первичной обмотки трансформатора.

Например, если трансформатор имеет индуктивность первичной обмотки (при низком напряжении) 100 Гн, ток намагничивания будет около 390 мкА при 50 Гц. Вам необходимо потреблять не менее 39 мА от вторичной обмотки, и этого достаточно, чтобы напряжение и ток в первичной обмотке находились в пределах менее одного градуса друг от друга. Если вы теперь подключите конденсатор, который потребляет такой же ток (это необходимо рассчитать на основе напряжения и частоты), первичная обмотка окажется полностью емкостной.

Это аспект взаимной связи, который редко объясняется, но понимание этой простой концепции означает, что вы можете избежать целой кучи довольно утомительной математики, которая на самом деле не поможет вам понять задействованные принципы.Как знают постоянные читатели, я не буду приводить подробные формулы, если они никому не помогут понять, как что-то работает. Это показательный пример. Использование формулы почти ничего не покажет, но если вы запустите тест для себя, вы, , поймете, как это работает.


4,3 Импеданс

Трансформатор не имеет определенного импеданса. Вас могут простить за то, что вы думаете иначе, но это потому, что некоторые трансформаторы предназначены для выходных каскадов ламповых усилителей или для номинальных сигнальных линий 600 Ом (например).Для выходного трансформатора отношения импеданса определяются так, чтобы соответствовать анодному сопротивлению / импедансу конкретных выходных клапанов, и преобразовывать его в импеданс, подходящий для громкоговорителя. В этой роли важна индуктивность первичной обмотки , поскольку она должна быть достаточно высокой, чтобы гарантировать хорошее соединение между лампами и динамиками на самой низкой интересующей частоте.

Это кратко рассматривается в этом разделе и более подробно рассматривается в разделе 2.Хотя индуктивность важна, еще более важно обеспечить, чтобы сердечник оставался вдали от даже частичного насыщения на самых низких частотах. Вот почему хорошие выходные трансформаторы такие большие и дорогие. Однако важно понимать, что, хотя трансформатор разработан и рекламируется как (например) 6 кОм P-P: 8 Ом, это не означает, что сам трансформатор имеет такие импедансы. То, что означает , заключается в том, что при питании от источника 6 кОм (пара выходных клапанов) выходное сопротивление будет таким, что максимальная мощность будет подаваться на нагрузку 8 Ом.

Тот же самый трансформатор может питаться от источника 3 кОм и обеспечивать максимальную мощность на нагрузке 4 Ом. Он также работает с более высоким импедансом источника, но тогда индуктивность может быть недостаточно большой для обеспечения хорошего воспроизведения низких частот. Требуемая индуктивность определяется импедансом источника и наименьшей интересующей частотой - обычно 40 Гц для многих ламповых усилителей. Итак, используя приведенный пример, можно определить индуктивность и частоту -3 дБ ...

L = Z / (2 × π × f -3 дБ ) (где Z - полное сопротивление источника, а f -3 дБ - частота -3 дБ)
L = 6k / (2 × π × 40) = 24H

Как должно быть очевидно, по мере увеличения импеданса источника требуется больше индуктивности для той же частоты -3 дБ.Это также требует, чтобы поток в сердечнике оставался значительно ниже насыщения. Даже небольшая насыщенность вызывает грубые искажения. Некоторые утверждают, что это искажение не так нежелательно, как можно было бы представить, потому что оно спадает с увеличением частоты. Однако, если низкая и высокая частота передаются одновременно, более высокая частота также будет искажена - как только ядро ​​начинает насыщаться, все частоты , присутствующие в данный момент, искажаются, а не только частота, вызывающая насыщение.


5. Примеры использования трансформатора

Это лишь краткое описание множества применений трансформаторов. В этом разделе я отказался от источников питания с переключаемым режимом и представлю только наиболее распространенные линейные приложения. Применение источников питания более полно описано в Разделе 2, а также в статье Проектирование линейных источников питания.

Было бы невозможно охватить все аспекты трансформаторов и их использования, поскольку они очень разнообразны и используются во многих разных вещах.Компьютерные сетевые карты, модемы, усилители мощности и микроволновые печи, автомобильные и морские системы зажигания, катушки Тесла и фонокорректоры с подвижной катушкой, распределение мощности от электростанции до вашего дома ... это очень маленькая выборка разнообразие скромного трансформера (ну, может, не так уж и скромно).


5.1 - Выходной каскад двухтактного клапана

Трансформаторы используются не только в источниках питания, но и в других областях.Клапанные усилители мощности (ламповые) почти все используют трансформатор для выходного каскада, который преобразует высокое сопротивление анодов в импеданс громкоговорителя, а также обеспечивает подачу напряжения на выходные клапаны. Здесь не было показано никаких смещений или других вспомогательных компонентов - для получения дополнительной информации см. Как работают усилители. Еще одна ссылка на ступени клапана находится в разделе «Клапаны».


Рисунок 5.1 - Выходной каскад двухтактного клапана

Рисунок 5.1 показано, как это работает. Работа первичной обмотки может поначалу вас удивить, но это вполне соответствует всей теории. Показанное напряжение питания составляет 500 В, и мы предполагаем, что клапан может включаться достаточно сильно, чтобы уменьшить его до нуля поочередно на каждом конце обмотки. В действительности это не так, потому что клапаны не имеют достаточно низкого внутреннего импеданса, но это упрощает объяснение.

Ни один из клапанов не потребляет значительного тока при отсутствии сигнала, а потребляемая величина не намагничивает сердечник.Причина проста - через каждую секцию первичной обмотки проходит равный ток, но фактически в противоположных направлениях. Магнитное поле, создаваемое одной половиной обмотки, компенсируется магнитным полем второй половины, оставляя чистый установившийся магнитный поток равным нулю.

Когда клапан V1 включается полностью, напряжение на его конце обмотки снижается до нуля, а напряжение на аноде V2 составляет 1000 вольт. Это должно быть так, иначе теория трансформаторов разваливается в клочья.Первичная обмотка работает как «автотрансформатор». Аналогичным образом, когда V1 выключается, а V2 включается, ситуация меняется на противоположную. Вы вполне можете спросить, зачем вообще нужны 2 клапана? Казалось бы, напряжение от одного клапана вполне способно раскачивать напряжение из одной крайности в другую.

Это не так. Поскольку клапан может только включаться, он сможет подавать ток только на половину формы волны. В двухтактной конструкции класса A каждый клапан обычно пропускает 1/2 максимального пикового тока, необходимого на холостом ходу, и полный пиковый ток при включении на максимум до искажения (другой клапан выключен).В случае двухтактной конструкции насыщения сердечника не происходит из-за постоянного тока (который, как и раньше, уравновешивается), поэтому, хотя необходимы два клапана, трансформатор будет меньше и будет иметь гораздо лучшие характеристики. Для несимметричных усилителей класса A требуется очень большой сердечник с воздушным зазором для предотвращения насыщения. Это резко снижает производительность трансформатора, увеличивает искажения и ухудшает низкочастотную характеристику из-за более низкой индуктивности. Также могут отрицательно сказаться высокие частоты, потому что воздушный зазор заставляет часть магнитного потока «вытекать» из сердечника.Это одна из причин возникновения индуктивности рассеяния (более подробно рассматривается в разделе 2).

Стоит отметить, что эффективное размах размаха на всей первичной обмотке трансформатора составляет 2000 В. Когда V1 полностью включен, он имеет нулевое напряжение (только для нашего примера) на пластине, а V2 имеет напряжение на пластине 1000 В. V1 и V2 имеют одинаковые пики напряжения, но они сдвинуты по фазе на 180 градусов. Таким образом, полное напряжение на трансформаторе является суммой двух напряжений. С точки зрения переменного тока линию питания B + можно рассматривать как то же самое, что и нулевое напряжение (помните, что она будет шунтирована с большой емкостью).

Действующее значение напряжения (с учетом синусоиды и игнорирования потерь) легко вычисляется по стандартной формуле ...

5.1.1 Вп = Вп-пик / 2

Чтобы получить пиковое значение от пика к пику, затем ...

5.1.2 Vrms = Vp / √2

Чтобы найти значение RMS.

В этом случае размах напряжения составляет 2000 В, поэтому от пика до 1000 В. Среднеквадратичное значение составляет 707 В.


5.2 Выход на несимметричный триод (SET)

Рисунок 5.2 показано базовое устройство выходного каскада усилителя SET. Полный постоянный ток должен проходить через первичную обмотку трансформатора, и, как обсуждалось выше, в сердечнике должен быть воздушный зазор, чтобы предотвратить насыщение. Поскольку воздушный зазор снижает эффективность магнитного пути, сердечник должен быть значительно больше, чем в противном случае.


Рисунок 5.2 - Выходной каскад на несимметричном триоде

Сердечник работает только с одной полярностью потока, которая меняется в зависимости от сигнала.Можно подумать, что одно только это уменьшит искажения, поскольку поток никогда не пересекает нулевую точку, но это не так. По-прежнему необходимо, чтобы поток изменял направление, и характеристики магнитных материалов показывают, что сопротивление изменению (а не абсолютная полярность магнитного поля) является доминирующим фактором. Клапан (и первичная обмотка трансформатора) теперь должны пропускать ток, равный пиковому переменному току, требуемому нагрузкой - конечно, в зависимости от коэффициента трансформации.

Максимальное отрицательное колебание (клапан включен) удвоит этот ток, и он будет уменьшен почти до нуля при выключении клапана (положительное колебание). Когда ток уменьшается ниже среднего постоянного (покоящегося) тока, напряжение на трансформаторе увеличивается с противоположной полярностью - отсюда и тот факт, что напряжение на пластине превышает напряжение питания. Это одна из областей, где трансформатор на самом деле является индуктором , а работа схемы зависит от накопленного «заряда» индуктора.Вторичная обмотка просто передает напряжение на нагрузку.

Для той же выходной мощности клапан в несимметричной цепи должен быть значительно больше, чем требуется для двухтактной схемы, из-за более высокого рассеяния, необходимого для дополнительного тока. Есть также много других проблем с этой схемой - в частности, высокие искажения и сравнительно высокое выходное сопротивление.

Не менее важная проблема заключается в том, что преимущество дополнительного размаха напряжения при использовании трансформатора с центральным ответвлением теперь утрачено, поэтому максимальное эффективное среднеквадратичное напряжение, которое может быть разработано, составляет 353 В - значительное падение первичного переменного напряжения (снова без учета потерь это ровно половина).Это означает, что нагрузка клапана выше при том же импедансе динамика, потому что коэффициент трансформации меньше, поэтому мы снова получаем меньшую мощность.

Постоянные читатели знают, что я считаю «НАБОР» мерзостью. Заявленные преимущества в основном видны (или ухом) смотрящего и не выдерживают ни малейшей проверки.


5.3 Приложения линейного уровня Трансформаторы

также используются для «линейных» приложений с низким энергопотреблением, обычно для балансных микрофонных входов и линейных выходных каскадов.Трансформатор не имеет себе равных для реальных симметричных схем, так как вход или выход действительно плавающий и не требует заземления. Это означает, что синфазные сигналы (то есть любой сигнал, общий для обоих сигнальных проводов) почти полностью отклоняются.

На рисунке 5.3 показан симметричный вход трансформатора, преобразующийся в несимметричный. Сигнал усиливается и снова отправляется на выходной трансформатор для распределения как сбалансированный сигнал. «Усилитель», как правило, представляет собой микшерный пульт и принимает сигналы микрофонного или линейного уровня в качестве входа (идущие от сцены к зоне микширования), а конечный микшированный выход отправляется обратно на сцену для основного (передний дома) усилители громкой связи и колонки.От микрофона до микшера и обратно к главным усилителям может быть более 100 метров кабеля, и при этом практически не будет слышен какой-либо шум.


Рисунок 5.3 - Симметричный микрофонный и линейный выходы

Телефонная система раньше полностью зависела от трансформаторов для передачи сигнала от АТС (или центрального офиса в США) на оборудование в помещении клиента (CPE). В телефонном коммутаторе, используемом в офисах (PABX - Private Automatic Branch Exchange, или PBX для США) оборудование, по-прежнему используются трансформаторы почти для всех входящих цепей, аналоговых или цифровых.

Принцип точно такой же, как и для показанного выше аудиоприложения, за исключением того, что в телефонных цепях обычно присутствует постоянное напряжение для питания CPE (в случае домашнего телефона) и для обеспечения некоторой базовой сигнализации. В современных схемах PABX используются трансформаторы с ферритовым сердечником и схема развязки постоянного тока, чтобы гарантировать, что постоянный ток не течет в обмотках трансформатора, поскольку это ухудшает характеристики так же, как и выходной трансформатор для усилителя мощности SET. (Обратите внимание, что многие абонентские цепи теперь управляются через специально изготовленные ИС, которые исключают трансформатор.)

Аудиоприложения для трансформаторов в симметричных схемах пришли из телекоммуникационной отрасли, где впервые были придуманы концепции. Телефонная линия может иметь длину 4 км и более и не экранирована, поэтому метод устранения гудения и шума был необходим. Сегодня существуют десятки (сотни?) Миллионов трансформаторов, используемых для соединений Ethernet LAN, и розетки RJ45 доступны со встроенными трансформаторами.


6. Безопасность

Безопасность является основным соображением для любого силового трансформатора (а в случае телекоммуникаций - разделительных трансформаторов), и электрический контакт между первичной и вторичной обмотками не должен допускаться при при любых реальных условиях неисправности .Во всех странах есть стандарты безопасности, которые применяются к трансформаторам, где важна электрическая изоляция, и если есть какие-либо сомнения относительно безопасности трансформатора для конкретной цели, убедитесь, что вы проверили соответствие трансформатора соответствующим стандартам. Рассмотрение всех возможных стандартов и вопросов соответствия выходит за рамки данной статьи, поэтому я оставлю это вам - и вашему поставщику.

Многие силовые трансформаторы оснащены внутренним предохранителем, работающим только на один раз, который размыкает цепь в случае превышения заданной температуры.Эта температура выбрана в качестве максимальной безопасной температуры обмоток перед тем, как изоляция расплавится или сломается, поэтому в случае неисправности плавкий предохранитель сработает до того, как будет повреждена изоляция, и компонент станет потенциально опасным. Это также помогает предотвратить риск пожара (и нет, это не предназначено для юмора - мой друг сгорел дотла из-за неисправного силового трансформатора в видеомагнитофоне - по мнению следователей по пожарам.Правдивая история!). На Рисунке 6.1 (ниже) показан пример того, насколько плохо может быть, если трансформатор не защищен.

После размыкания плавкого предохранителя трансформатор необходимо выбросить, поскольку обычно невозможно получить доступ к предохранителю для замены. Это не так глупо, как может показаться, поскольку термическое разрушение перегретой изоляции невозможно предсказать, и трансформатор может оказаться небезопасным, если его все еще можно будет использовать.

Есть трансформаторы, которые спроектированы так, чтобы быть «изначально безопасными», и у них обычно есть обмотки на отдельных участках сердечника, а не в физическом контакте друг с другом.Если сердечник соединен с заземлением с электробезопасностью (что обычно является обязательным), никакой метод отказа (включая полное расплавление) в первичной обмотке не позволит сетевому напряжению появиться на вторичной. Боковые обмотки являются следующими по безопасности, и хотя первичная и вторичная обмотки находятся на одной катушке, используемый материал выбран таким образом, чтобы выдерживать высокие температуры и обеспечивать разделение обмоток. Тороидальные сердечники и другие трансформаторы с концентрической намоткой являются наименее безопасными, поскольку единственным разделением между первичной и вторичной обмотками является довольно тонкий слой изоляции.Это одна из причин того, что термопредохранители часто используются с тороидами. Обратите внимание, что любой трансформатор, классифицированный как «безопасный по своей природе», обычно должен соответствовать очень строгим условиям утверждения в большинстве стран.


Рисунок 6.1 - Расплавление трансформатора

На рисунке 6.1 показан трансформатор, который я снял с ремонтных работ. Это полное расплавление, и остатки пластиковой бобины видны достаточно четко. В любой цепи чрезвычайно важно защитить пользователя от контакта с сетью, если это произойдет.В этом случае бобина расплавилась с обмоток, капала на основание оборудования и, как правило, создавала большой беспорядок. Несмотря на все это, не было электрического соединения между первичной и вторичной обмотками или пластинами. Это был хорошо сделанный трансформатор (он вышел из строя из-за большой продолжительной перегрузки, а не из-за отказа самого трансформатора).

Надлежащее защитное заземление - единственный реальный способ гарантировать, что катастрофический отказ трансформатора (как показано на рисунке) не приведет к подаче напряжения на шасси - не все трансформаторы созданы равными с точки зрения безопасности.Правильный предохранитель гарантирует, что предохранитель перегорит - надеюсь, с до будет нарушена электрическая безопасность. Тепловой предохранитель предотвратил бы такое ухудшение ситуации, как показано, но трансформатор был бы так же мертв.


7. Шум

Трансформаторы шумят. Это не только электрический шум, который создается опасной формой волны тока через обмотки, диоды и конденсаторы фильтра, но и реальный слышимый шум. Одним из источников является вибрация обмотки из-за движения провода из-за магнитного поля и тока, протекающего по проводникам.Этого следует избегать любой ценой, поскольку постоянная вибрация в конечном итоге приведет к износу изоляции, короткому замыканию обмоток и разрушению трансформатора. К счастью, это довольно необычно, но иногда случается (и случается).

Большая часть шума исходит от пластин или другого материала сердечника, который сжимается под воздействием сильного магнитного поля. Это называется магнитострикцией и происходит в большей или меньшей степени со всеми магнитными материалами. Стетоскоп проверит источник шума, и нет ничего или почти ничего, что могло бы его остановить.Упругая установка предотвратит акустическое усиление большей части шума шасси, и, как правило, шум будет хуже без нагрузки. В некоторых случаях трансформатор может быть рассчитан на 60 Гц, но используется на 50 Гц. В этом случае плотность потока, вероятно, превысит максимально допустимую для сердечника (который будет насыщать), и трансформатор станет намного горячее, чем должен, и почти наверняка будет намного более шумным. Тороидальные трансформаторы обычно намного тише, чем ламинированные EI (т.е.е. обычные) типы.

Большинство (все?) Трансформаторов, разработанных специально для 60 Гц, в конечном итоге выйдут из строя с сетью 50 Гц из-за перегрева. Обратное неверно, и трансформаторы на 50 Гц могут вполне безопасно работать на 60 Гц.

Еще одна проблема с пластинами E-I заключается в том, что они могут быть недостаточно хорошо скреплены друг с другом, и это позволяет, в частности, внешним пластинам вибрировать. Обычные трансформаторы более высокого качества обычно пропитывают лаком (иногда под вакуумом) и запекают в духовке с умеренным давлением до готовности.... ой, то есть до полного высыхания лака. Это связывает пластинки и обмотки вместе, предотвращая шум, а также делая трансформатор более устойчивым к повреждениям водой или другими загрязнениями и / или в условиях высокой влажности (например, в тропиках).


Щелкните любой из вышеперечисленных разделов, чтобы просмотреть остальные разделы этой серии. Как вы, наверное, заметили, трансформаторы все-таки не так просты.


Список литературы

Эти ссылки являются общими для обоих разделов статьи, хотя большинство из них относятся только к разделу 2.Во время составления этих статей было исследовано бесчисленное количество различных веб-страниц, и хотя некоторые из них были интересными, большинство из них использовались минимально. Из тех, кого я действительно помню (сложная задача сама по себе, учитывая огромное количество поисков, которые мне приходилось делать), я должен поблагодарить следующие веб-страницы (в алфавитном порядке) ...

  • Амидон
  • Школа ATDL (Армия США)
  • Трансформеры Дженсен
  • Mitchell Electronics Corporation
  • Томи Энгдал - (ePanorama.нетто)

Я рекомендую статью «История трансформатора», хотя и не используется в качестве справочной. Он не технический, но дает некоторое представление о разработке трансформаторов, какими мы их знаем.

Кроме того, я использовал различные другие ссылки, но особенно (в порядке полезности) ...

Электричество. Преобразование напряжения и тока с помощью трансформатора. LD Physics Leaflets P Трансформатор электромагнитной индукции

ГЕНЕРАТОРЫ ПРЯМОГО ТОКА

ГЕНЕРАТОРЫ ПРЯМОГО ТОКА Редакция 12:50 14 ноя 05 ВВЕДЕНИЕ Генератор - это машина, которая преобразует механическую энергию в электрическую, используя принцип магнитной индукции.Этот принцип

Подробнее

Теория индукционного нагрева

ГЛАВА 2 Теория нагрева индукцией ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВ впервые был отмечен, когда было обнаружено, что тепло выделяется в обмотках трансформатора и двигателя, как упоминалось в главе «Термическая обработка металла»

. Подробнее

Наведенные напряжения и закон Фарадея индуктивности

Наведенные напряжения и индуктивность Закон Фарадея Концепция # 1, 4, 5, 8, 13 Задача # 1, 3, 4, 5, 6, 9, 10, 13, 15, 24, 23, 25, 31, 32a, 34, 37, 41, 43, 51, 61 В прошлой главе мы видели, что ток производит магнитное

Подробнее

Расчет схемы трансформатора

Расчеты схемы трансформатора. Эта таблица и все связанные файлы находятся под лицензией Creative Commons Attribution License, версия 1.0. Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите http://creativecommons.org/licenses/by/1.0/,

. Подробнее

ИНДУКЦИОННЫЙ РЕГУЛЯТОР. Задача:

ИНДУКЦИОННЫЙ РЕГУЛЯТОР Цель: Используя асинхронный двигатель с фазным ротором и индукционный регулятор, изучить влияние положения ротора на выходное напряжение регулятора. Также изучите его поведение под нагрузкой

Подробнее

Расчет трансформатора

Расчеты трансформаторов Трансформаторы Трансформаторы - одно из самых простых, но практичных устройств, используемых сегодня.Где бы вы ни находились, рядом всегда есть трансформатор. Используются в цепях переменного тока

. Подробнее

Индукторы в цепях переменного тока

Катушки индуктивности в цепях переменного тока Название Раздел Резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы влияют на изменение величины тока в цепи переменного тока и времени, в которое ток достигает своего максимального значения

Подробнее

Сетевые реакторы и приводы переменного тока

Сетевые реакторы и приводы переменного тока Rockwell Automation Mequon Wisconsin Довольно часто линейные и нагрузочные реакторы устанавливаются на приводы переменного тока без четкого понимания того, почему и каковы положительные и отрицательные последствия

Подробнее

5.Измерение магнитного поля

H 5. Измерение магнитного поля 5.1 Введение Магнитные поля играют важную роль в физике и технике. В этом эксперименте проверяются три различных метода измерения

Подробнее

Глава 22 Дополнительная электроника

Глава 22 Далее Стиральная машина с электроникой имеет задержку открытия дверцы после цикла стирки.Часть этой схемы показана ниже. По окончании цикла переключатель S замыкается. На данном этапе конденсатор

Подробнее

Глава 14: Конструкция индуктора

Глава 14 Конструкция индуктора 14.1 Ограничения конструкции индуктора фильтра 14.2 Пошаговая процедура конструирования 14.3 Конструкция многообмоточного магнитопровода с использованием метода K g 14.4 Примеры 14.5 Сводка ключевых моментов

Подробнее

Лаборатория 14: Трехфазный генератор переменного тока.

Лаборатория 14: Трехфазный генератор переменного тока. Цель: получить кривую насыщения генератора без нагрузки; для определения характеристики регулирования напряжения генератора с резистивной, емкостной и индуктивной

Подробнее

Индуктивность. Моторы. Генераторы

Индуктивные двигатели Генераторы Самоиндуктивность Самоиндукция возникает, когда изменяющийся поток через цепь возникает из самой цепи.По мере увеличения тока магнитный поток через петлю из-за

Подробнее

Книга по физике народа

Большие идеи: название «электрический ток» происходит от явления, которое возникает, когда электрическое поле движется по проводу со скоростью, близкой к скорости света. Напряжение - это плотность электрической энергии (энергия

Подробнее

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ.Авторы: Нафис Ахмед, Астт, профессор, Департамент ЭЭ, DIT, Дехрадун

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ Автор: Nafees Ahmed, Asstt, Prof, EE Deptt, DIT, Dehradun ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ Устройство, используемое для сравнения неизвестной величины с единицей измерения или стандартной величиной, -

Подробнее

Установка 33 Трехфазные двигатели

Модуль 33 Трехфазные двигатели Задачи: Обсудить работу двигателей с фазным ротором.Обсудите работу сельсиновых моторов. Обсудите работу синхронных двигателей. Определить направление вращения

Подробнее

LEP 4.4.07. Выпрямительные схемы

Связанные темы Однополупериодный выпрямитель, двухполупериодный выпрямитель, выпрямитель Гретца, диод, стабилитрон, лавинный эффект, зарядный конденсатор, пульсации, среднеквадратичное значение. значение, внутреннее сопротивление, коэффициент сглаживания, пульсация

Подробнее

Атомная и ядерная физика

Атомная и ядерная физика Ядерная физика Ядерный магнитный резонанс LD Physics Leaflets P6.5.3.1 Ядерный магнитный резонанс в полистироле, глицерине и тефлоне Объекты g Ядерный магнитный резонанс на

Подробнее

Основы моторики. Двигатель постоянного тока

Основные принципы работы двигателя Прежде чем мы сможем исследовать функцию привода, мы должны понять основные принципы работы двигателя. Он используется для преобразования электрической энергии, подаваемой контроллером, в механическую

. Подробнее

Последовательные и параллельные схемы

Последовательные и параллельные цепи Компоненты в цепи могут быть соединены последовательно или параллельно.При последовательном расположении компонентов они расположены на одной линии друг с другом, т. Е. Соединены встык. Параллель

Подробнее .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *