Электронные компоненты

Обычно трансформаторы конструируются так, что падение напряжения во вторичной  обмотке невелико (порядка 2 - 5%); поэтому  с известным допущением можно  принять, что на концах вторичной  обмотки напряжение U₂ равно её ЭДС. Это напряжение U₂ будет во столько раз больше (или меньше) напряжения первичной обмотки U₁, во сколько раз число витков n₂ вторичной обмотки больше или меньше) числа витков n₁ первичной. Ток во вторичной обмотке I₂ наоборот, будет во столько раз меньше (или больше) тока первичной обмотки I₁, во сколько раз число витков n₂ вторичной обмотки больше или меньше) числа витков n₁ первичной.       

Отношение числа витков питаемой от сети обмотки к числу витков другой обмотки или одного напряжения (первичного) к другому (вторичному) называется коэффициентом трансформации  и обозначается буквой К:

      

Часто коэффициент трансформации  выражается соотношением двух чисел, например 1:55, показывающим, что число витков первичной обмотки в 55 раз меньше числа витков вторичной.

 

Конструкция силового трансформатора

 
      Сердечники силовых трансформаторов  бывают: Ш-образный (рис) у которого магнитный поток разветвляется  на две ветви, и П-образный (рис) с  неразветвленным магнитным потоком. Первый вид сердечников, называемый броневым, применяется более часто, чем второй - стержневой. Ещё бывает третий тип силового трансформатора – спиральный (или ленточный), который  является разновидностью первых двух.       

Для уменьшения потерь в  сердечнике, последний делается не сплошным, а из отдельных тонких листов стали, оклеенных бумагой  или покрытых изолирующим лаком. Толщина пластин составляет от 0,25 до 0,5 мм, чаще всего 0,3 - 0,35 мм.

      В настоящее время пакеты пластин  для трансформаторов малой и  средней мощности (до 200 Ватт) собираются в основном из двух типов пластин (рис): Ш-образных и прямых (накладок). Применение прямых пластин (накладок) дает возможность делать у некоторых  трансформаторов (например, у выходных) воздушный зазор в сердечнике.       

Сборка пластин производится одним из двух способов. При одном  способе - встык - собираются отдельно две части сердечника, которые  затем прикладываются друг к другу (рис) и стягиваются болтами и  накладками. При другом способе - вперекрышку - пластины накладываются друг на друга  в порядке, указанном на рисунке.  
      Сердечник трансформатора должен быть крепко стянут, в противном случае при работе трансформатора сердечник будет гудеть. Хотя гудение и не оказывает существенного влияния на работу трансформатора, но оно неприятно действует на слух. Обмотки трансформатора располагаются на каркасе, который одевается на сердечник. Каркас, как правило изготавливается из картона, или прессшпана.  
      При использовании Ш-образного сердечника все обмотки трансформатора размещаются на одном каркасе, надеваемом на средний стержень сердечника. При П-образном сердечнике обмотка располагается или на одном или на двух каркасах, надеваемых соответственно на один или оба стержня сердечника.       

В трансформаторах наиболее часто применяется цилиндрическая намотка: на каркас сперва наматывается первичная обмотка, на которую для  изоляции укладывается несколько слоев  бумаги, а затем поверх этой изоляции наматывается вторичная обмотка. Если таких вторичных обмоток будет  несколько, то между каждыми двумя  обмотками прокладывается изоляция из 2 - 3 слоев бумаги. При большом  числе витков в обмотке, например при повышающей намотке, через каждые 2 - 3 слоя следует обязательно прокладывать бумажные изолирующие прокладки.

 

Расчёт  силового трансформатора

 
      Точный расчет трансформатора довольно сложен, но радиолюбитель может сконструировать  силовой трансформатор, пользуясь  для расчета упрощенными формулами, которые приводятся ниже.  
      Для расчета предварительно необходимо определить, исходя из заданных условий величины напряжений и сил токов для каждой из обмоток. Сначала подсчитывается мощность каждой из вторичных (повышающих, понижающих) обмоток:

где Р₂, Р₃, Р₄ - мощности (Вт), отдаваемые обмотками трансформатора;  
I₂, I₃, I₄ - силы токов (А);  
U₂, U₃, U₄ - напряжения (В) этих обмоток.  
      Для определения общей мощности Р трансформатора все мощности, полученные для отдельных обмоток, складываются и общая сумма умножается на коэффициент 1,25, учитывающий потери в трансформаторе:

где Р - общая мощность (Вт), потребляемая всем трансформатором.  
      По мощности Р подсчитывается сечение сердечника (в кв.см):

      

Далее определяется число витков n₀ приходящиеся на 1 вольт напряжения:

      

После этого переходят к определению  числа витков каждой из обмоток. Для  первичной сетевой обмотки число  витков, учитывая потери напряжения, будет  равно:

      

Для остальных обмоток с учетом потерь напряжения числа витков равны:

      

Диаметр провода любой обмотки  трансформатора можно определить по формуле:

где I — сила тока (A), проходящего через данную обмотку; d — диаметр провода (по меди) в мм.  
      Сила тока, проходящего через первичную (сетевую) обмотку, определяется из обшей мощности трансформатора Р:

      

Остается еще выбрать типоразмер пластин для сердечника. Для этого  необходимо подсчитать площадь, которую  занимает вся обмотка в окне сердечника трансформатора:

где S_м - площадь (в кв. мм), занимаемая всеми обмотками в окне;  
d₁, d₂, d₃ и d₄ - диаметры проводов обмоток (в мм);  
n₁, n₂, n₃ и n₄ — числа витков этих обмоток.  
      Этой формулой учитывается толщина изоляции проводов, неравномерность намотки, а также место, занимаемое каркасом в окне сердечника.  
      По полученной величине S_м выбирается типоразмер пластины с таким расчетом, чтобы обмотка свободно разместилась в окне выбранной пластины. Выбирать пластины с окном, значительно большим, чем это необходимо, не следует, так как при этом ухудшаются общие качества трансформатора.  
      Наконец определяют толщину набора сердечника - величину b, которую подсчитывают по формуле:

      

Здесь размер a – ширина среднего лепестка пластины (рис.3) и b в миллиметрах; Q - в кв. см.  
      Расчёт простой, самым сложным является поиск сердечника с необходимым типоразмером.

 

Быстрая переделка силового трансформатора лампового телевизора

 
      Нынче полупроводниковые телевизоры с их импульсными блоками питания  навсегда вытеснили тяжёлые и  громоздкие ламповые телевизоры, однако у многих «Плюшкиных» они ещё  в большом количестве пылятся  в гаражах и сараях. Поэтому, нет  никакой сложности, найти от такого телевизора силовой трансформатор. Переделка такого трансформатора под  ваши потребности элементарна.

      Мощности таких трансформаторов  бывают от 80 до 350 Ватт, всё определялось телевизором. В чёрно-белом телевизоре трансформатор – слабее, а в  цветном – мощнее. Конструкция  трансформатора – двухкаркасная  на О-образном спиральном сердечнике. Сердечник трансформатора состоит  из двух подковообразных половин, входящих внутрь катушек трансформатора. На обеих катушках намотаны одинаковые обмотки, с одинаковым количеством  витков. Как правило, на катушках имеется  табличка, на которой расписаны сетевые  и все выходные обмотки с номерами выводов, напряжений и токов.       

Вы можете использовать уже  имеющиеся обмотки, с подходящим для Вас напряжением, а можете смотать вторичные обмотки и  намотать новые, тем самым использовать полную мощность трансформатора. Удобство заключается в лёгкой разборке-сборке, расчётах новых обмоток. На катушках сначала намотаны первичные обмотки, потом стоит экранирующая фольга, а потом намотаны вторичные обмотки. Поэтому, при сматывании не нужных обмоток, Вы не допустите ошибку, смотав первичную  обмотку.       

Разбирается трансформатор  обыкновенным гаечным ключом на 10 или  на 12. Для этого необходимо открутить  всего две гайки стягивающие  скобы трансформатора, после чего, половины сердечника свободно вынимаются из катушек.       

Перед разборкой катушек, внимательно изучите табличку, найдите  в ней обмотку на наименьшее напряжение, а при сматывании этой обмотки  посчитайте количество витков. Поделив  подсчитанное количество витков на напряжение, значащееся в табличке, Вы узнаете  количество витков вторичной обмотки  трансформатора, приходящееся на один вольт. Умножив это число на то напряжение, которое хотите получить на выходе трансформатора, Вы узнаете  количество витков, которое необходимо будет намотать.       

Мотать можете другим проводом, а можете и тем, который смотали  с трансформатора. Мотать надо виток  к витку. Для получения достаточного выходного тока, можно мотать обмотки  проводом, сложенным вдвое, втрое  и даже вчетверо, а можете намотать несколько обмоток с одинаковым количеством витков, а потом, после  сборки трансформатора, спаять их параллельно.       

Слои обмоток в трансформаторе проложены трансформаторной бумагой, пропитанной парафином, при сматывании витков, снимайте её аккуратно, не рвите. При намотке используйте эту  бумагу снова.       

Трансформаторы от ламповых телевизоров – это «сила», главное  ума много не надо. С их использованием получаются отличные зарядные устройства, мощные блоки питания, как в составе  конструируемых аппаратов, так и  используемые самостоятельно.

Выпрямители. Схемы выпрямления электрического тока

 

 
      Выпрямитель электрического тока – электронная схема, предназначенная для преобразования переменного электрического тока в постоянный (однополярный) электрический ток.  
      В полупроводниковой аппаратуре выпрямители исполняются на полупроводниковых диодах. В более старой и высоковольтной аппаратуре выпрямители исполняются на электровакуумных приборах – кенотронах. Раньше широко использовались – селеновые выпрямители.  
      Для начала вспомним, что собой представляет переменный электрический ток. Это гармонический сигнал, меняющий свою амплитуду и полярность по синусоидальному закону.

      

В переменном электрическом токе можно  условно выделить положительные  и отрицательные полупериоды. Всё  то, что больше нулевого значения относится  к положительным полупериодам (положительная  полуволна – красным цветом), а всё, что меньше (ниже) нулевого значения – к отрицательным полупериодам (отрицательная полуволна – синим  цветом).  
      Выпрямитель, в зависимости от его конструкции «отсекает», или «переворачивает» одну из полуволн переменного тока, делая направление тока односторонним.  
      Схемы построения выпрямителей сетевого напряжения можно поделить на однофазные и трёхфазные, однополупериодные и двухполупериодные.  
      Для удобства мы будем считать, что выпрямляемый переменный электрический ток поступает с вторичной обмотки трансформатора. Это соответствует истине и потому, что даже электрический ток в домашние розетки квартир домов приходит с трансформатора понижающей подстанции. Кроме того, поскольку сила тока – величина, напрямую зависящая от нагрузки, то при рассмотрении схем выпрямления мы будем оперировать не понятием силы тока, а понятием – напряжение, амплитуда которого напрямую не зависит от нагрузки.  
      На рисунке изображена схема и временная диаграмма выпрямления переменного тока однофазным однополупериодным выпрямителем.

      

Из рисунка видно, что диод отсекает отрицательную полуволну. Если мы перевернём диод, поменяв его выводы – анод и катод местами, то на выходе окажется, что отсечена не отрицательная, а  положительная полуволна.

      

Среднее значение напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя соответствует  значению:

U_ср = U_max / π = 0,318 U_max

 
где: π - константа равная 3,14.       

Однополупериодные выпрямители  используются в качестве выпрямителей сетевого напряжения в схемах, потребляющих слабый ток, а также в качестве выпрямителей импульсных источников питания. Они абсолютно не годятся в  качестве выпрямителей сетевого напряжения синусоидальной формы для устройств, потребляющих большой ток.  
      Наиболее распространёнными являются однофазные двухполупериодные выпрямители. Существуют две схемы таких выпрямителей – мостовая схема и балансная.  
      Рассмотрим мостовую схему однофазного двухполупериодного выпрямителя и его работу.

      

Если ток вторичной обмотки  трансформатора течёт по направлению  от точки «А» к точке «В», то далее от точки «В» ток течёт  через диод VD3 (диод VD1 его не пропускает), нагрузку R_н, диод VD2 и возвращается в обмотку трансформатора через точку «А». Когда направление тока вторичной обмотки трансформатора меняется на противоположное, то вышедший из точки «А», ток течёт через диод VD4, нагрузку R_н, диод VD1 и возвращается в обмотку трансформатора через точку «В».  
      Таким образом, практически отсутствует промежуток времени, когда напряжение на выходе выпрямителя равно нулю.  
      Рассмотрим балансную схему однофазного двухполупериодного выпрямителя.

      

По своей сути это два однополупериодных  выпрямителя, подключенных параллельно  в противофазе, при этом начало второй обмотки соединено с концом первой вторичной обмотки. Если в мостовой схеме во время действия обоих  полупериодов сетевого напряжения используется одна вторичная обмотка трансформатора, то в балансной схеме две вторичных  обмотки (2 и 3) используются поочерёдно.  
      Среднее значение напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя соответствует значению:

U_ср = 2*U_max / π = 0,636 U_max

 
где: π - константа равная 3,14.       

Представляет интерес  сочетание мостовой и балансной  схемы выпрямления, в результате которого, получается двухполярный мостовой выпрямитель, у которого один провод является общим для двух выходных напряжений (для первого выходного  напряжения, он отрицательный, а для  второго - положительный):