1.6. Трансформатори, мережні пристрої живлення та проти аварійні пристрої
1.6.1. Трансформатори
Трансформатор у найпростішому випадку складається із залізного осердя з двома навитими обмотками. Оскільки струм у первинній обмотці має форму синусоїди, то магнітний потік в осерді також буде змінюватись у формі синусоїди. Зміни магнітного потоку індукують у вторинній обмотці напругу також у формі синусоїди. У випадку, якщо б потік не змінювався б у часі, то напруга у вторинній обмотці не могла б індукуватися. Інакше кажучи, трансформатор не передає постійну напругу.
З цього простого опису виникає, що трансформатор має два завдання:
- передавання змінної напруги з первинного навою до вторинного, при одночасному гальванічному відділенні первинної сторони від вторинної;
- трансформування (передавання, перетворення) змінної напруги на напругу з подібним часовим перебігом, але з іншим значенням.
Цю залежність можна описати формулою
,
(1.4)
де Up - первинна напруга; Us - вторинна напруга; np - кількість витків у первинному навої; ns - кількість витків у вторинному навої.
Силовий трансформатор є прикладом трансформації одного значення змінної напруги на іншу, наприклад, 220 В на 11 В. Передавана потужність трансформатором зменшується відповідно на значення втрат. Оскільки потужність є добутком значень напруги і сили струму, то в силовому трансформаторі, при споживанні струму значенням 1 А на вторинній стороні, щонайменше 0,05 А буде протікати на первинній стороні.
Трансформатор розраховується на певну максимальну потужність, значення якої не можна перевищувати. Це означає, що опір навоїв повинен бути достатньо низьким, щоб не було занадто великих спадків напруги на них. Це також означає, що осердя трансформатора мусить мати достатнє значення площі поперечного перерізу, щоби він не був у насиченні. Це значення встановлює не тільки передавану потужність, але також робочу частоту. Загалом, чим менша частота, тим більша потрібна площа поперечного перерізу осердя.
Осердя не може бути однорідною масою, оскільки вихрові струми, які в цьому випадку виникають, спричиняють великі втрати. У зв’язку з цим використовуються трансформаторне залізо, яке складаються з пакетів листів, взаємно ізольованих. Вони часто вирізаються в формі літер E та I. Створюють в цей спосіб EI-подібне осердя, в якому навій поміщений всередині, з метою отримання якнайбільшого магнітного поля.
В певних застосуваннях потік розсіяння може бути критичним. Це стосується, наприклад, підсилювачів високої якості Hi-Fi і вимірювальних пристроїв, в яких поле індукує призвук мережі. В таких випадках кращим рішенням є використання трансформаторів з тороїдальним осердям, оскільки вони дають дуже малі потоки розсіяння. Властивістю тороїдального осердя є більші значення струмів включення, ніж в трансформаторах з EI-подібними осердями. Вони також значно сильніше передають й перешкоди з мережі. Тороїдальні осердя дуже зрідка використовуються на значення потужностей вищих, від 500 ВА.
Повними трансформаторами називаються трансформатори з відділеними первинними і вторинними навоями. Вони мають гальванічне відділення входу і виходу.
Автотрансформатори мають спільний первинний і вторинний навій. Тому цей тип трансформаторів не має гальванічного розділення між входом і виходом, але може використовуватись до трансформації значень напруг як у сторону збільшення, так і в сторону зменшення. З огляду на «тісний» зв’язок між обмотками і той факт, що обмотка займає менше місця, то цей тип трансформаторів має менші розміри, ніж порівняльний трансформатор з двома навоями.
Регуляційний трансформатор є найчастіше видозміною автотрансформатора, де відвід вторинного навою трансформатора є рухомим, і, тому, значення напруги в цьому навої можна змінювати. Він є дуже придатним до лабораторних застосувань, де потрібно досліджувати, як апаратура поводиться при змінах напруги живлення. Регуляційний трансформатор може виготовлятись також в двонавійній версії, тобто як повний трансформатор.
Роздільний трансформатор є двонавійним трансформатором, котрий використовується для живлення пристроїв напругою, ізольованою від основної мережі живлення. У вимірювальних лабораторіях використовується їх у випадку, наприклад, коли не можна використовувати заземлених мережних виходів, тому що тоді можуть утворюватись петлі заземлень, які у свою чергу можуть впливати на результати вимірювань. Фази мережі живлення, як відомо, мають значення напруг 220 В та ) В, по відношенню до потенціалу землі. Вторинний навій роздільного трансформатора можна не заземляти і, в такому випадку, воно не створює напруги відносно землі (вторинна напруга стає “плаваючою”). Ця плаваюча напруга принципово зменшує ризик ураження для працюючих в лабораторії осіб. В трансформаторі може бути передбачений екран між первинним та вторинним навоями з метою зменшення завад , що передаються через паразитні ємності.
Безпечний трансформатор і посередний трансформатор для захисних цілей повинні використовуватись, щоб обмежити ризик ураження струмом в електричних пристроях і предметах побутового вжитку. Ці трансформатори повинні мати певне значення ізоляції між первинною і вторинною сторонами, а також обмежену вихідну напругу. Безпечним трансформатором називається такий, який має так звану безпечну низьку напругу, щонайбільше 50 В, посередний трансформатор для цілей захисту - це такий, який постачає напругу в межах (50...125) В.
В дитячих забавках необхідно використовувати так звані забавкові трансформатори, вторинна напруга яких не перевищує 24 В і конструкцією яких передбачена безпечність експлуатації.
Трансформатор для дзвінків призначений для використання з дверними дзвінками і подібними застосуваннями. Він може забезпечувати значення струму навантаження до 10 А, щоб уникнути відповідного пошкодження дзвінкових дротів, які можуть витримувати тільки короткотривалі навантаження.
В поданих вище типах трансформаторів, так само як і трансформаторах до електроголярок та переносних ламп, повинні також виконуватись різноманітні спеціальні вимоги, які подаються у міжнародних нормативних документах.
Трансформатори малої частоти (наприклад, акустичні) виконують завдання, які принципово відрізняються від завдань мережевих трансформаторів. Їх передусім використовують не з метою трансформування значення напруги, але для трансформації імпедансу. Використовуються для узгодження імпедансу між, наприклад, двома каскадами підсилювача або між підсилювачем і колонкою. Перетворення імпедансу виконується пропорційно до квадрату відношення кількості витків навоїв (коефіцієнта трансформації напруги), таким чином трансформатор з коефіцієнтом перетворення напруг 10:1 матиме коефіцієнт перетворення імпедансу 100:1.
Трансформатори малої частоти для застосувань у високоякісних пристроях Hi-Fi повинні передавати цілий діапазон акустичних частот від 20 Гц до 20 кГц. На практиці це означає, що вони повинні передавати ще ширший діапазон частот. Тому значно важче сконструювати і реалізувати трансформатор малих частот, ніж мережевий трансформатор, котрий повинен добре функціонувати тільки на одній частоті.
Вихідний трансформатор акустичний є дуже критичним елементом. Зараз це знову стало актуальним у зв’язку з тенденцією до побудови високоякісних підсилювачів Hi-Fi і інших пристроїв на основі електронних ламп. Лампи повинні навантажуватись оптимальним імпедансом, значення якого знаходять з їх характеристик. Йдеться тут про імпеданс набагато більших 1 кОм, яка з допомогою трансформатора узгоджується з низьким імпедансом колонки. Та високий імпеданс означає багато витків первинного навою, що має певну ємність.
Трансформатори низьких частот використовуються, наприклад, у мікрофонах, в грамофонних відтворювачах з рухомою котушкою і у вхідних колах підсилювачів. Також існує вимога широкої робочої частотної смуги. Особливо важливим є те, щоб трансформатор, який знаходиться на початку підсилювального ланцюга, був якнайкраще екранований від поля, що утворюється електричною силовою мережею.
Модемні трансформатори забезпечують гальванічне відділення модему від телефонної мережі. Збудовані так, щоб виконати норми, що ставляться приписами телекомунікації. Потрібно звернути увагу, що ці норми можуть значно відрізнятись в різних країнах.
Трансформатори середніх частот складаються з двох з’єднаних резонансних ступенів. Він сконструйований для певних робочих частот, наприклад, 455 кГц (амплітудна модуляція AM) або 10,7 МГц (частотна модуляція FM), параметри яких можуть бути в певних межах змінені з допомогою рухомих осердь. При AM, SSB CW потрібно, щоб смуга пропускання було якнайвужчою, так, щоб значення добротності Q було якомога більшим, у той час як трансформатори для FM радіо повинні мати ширину смуги біля 250 кГц з метою усунення спотворень. В тюнерах Hi-Fi найчастіше вимагається більша ширина смуги пропускання, якщо хочемо мати якнайнижчі спотворення, в той же час в автомобільних радіо можна допускати більші спотворення.
Струмовий трансформатор, називається також струмовим перетворювачем застосовується для вимірювання з допомогою магнітного поля сили струму, що проходить через силові дроти. Це означає, що коло проходження струму не повинно перериватись для виконання вимірювання. Ці трансформатори використовуються, наприклад, у різнице-струмових перемикачах.
Імпульсні трансформатори найчастіше використовуються в мережних блоках живлення і в перетворювачах напруга постійного в напругу постійного струму DC/DC. В імпульсних пристроях перетворення відбувається на частотах, значення яких значно вищі від частоти мережі. Їх значення є на рівні 100 кГц, інколи навіть й кілька МГц.