книги из ГПНТБ / Комаров Е.Ф. Учебное пособие радиотелемастера

Мощности в обеих обмотках можно выразить через напряжение и ток данной обмотки:

Произведя сокращение, окончательно получим:

Ii •

Из формулы видно, что напряжения на обмотках обратно пропорциональны токам, протекающим в этих обмотках. Чем больше напряжение на обмотке, тем меньше должен быть ток в этой обмотке и тем меньше сечение провода обмотки. Поэтому вторичная обмотка в понижающем трансформато­ ре наматывается, как правило, проводом с большим сече­ нием, т. е. проводом, сечение которого намного больше сече­ ния провода первичной обмотки.

Из последней формулы определим / 2:

Данные формулы справедливы для случая, когда у тран­ сформатора имеются всего лишь две обмотки — первичная и вторичная. В более общем случае у трансформатора мо­ жет быть большее количество вторичных обмоток и тогда соотношения между токами и напряжениями в отдельных обмотках будут выглядеть иначе. Однако и в этих случаях остается справедливым равенство мощностей первичной и всех вторичных обмоток.

6 0

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРА

В каждом трансформаторе всегда имеются потери элект­ рической энергии, вследствие чего из первичной обмотки во вторичную передается не вся энергия, а лишь некоторая ее часть и коэффициент полезного действия (к.п.д.) тран­ сформатора всегда будет меньше 100%.

Различают два вида потерь в трансформаторе — потери в меди (в проводах) и потери в стали (в сердечнике).

Потери в меди обусловливаются наличием в проводах обмоток трансформатора электрического сопротивления (активного характера). Тогда ток, протекающий в обмотке, создает на таком сопротивлении падение напряжения, на обмотке развивается некоторая электрическая мощность и часть энергии преобразуется в тепло, нагревающее об­ мотку.

Потери в стали состоят из двух видов потерь:

1)потери из-за вихревых токов;

2)потери на циклическое перемагничивание. Возникновение вихревых токов в сердечнике можно объ­

яснить следующим образом. Сердечник, изготовленный из стали, представляет собой металлический проводник, по­ мещенный в переменное магнитное поле. В сердечнике так же, как и витках любой обмотки, будет создаваться индук­ тированная э.д.с., и по сердечнику будет протекать ток. Так как сечение сердечника велико, то его электрическое сопротивление мало, поэтому токи, протекающие в сердеч­ нике, достигают больших величин. При этом происходит «активное» расходование энергии и преобразование ее в тепло, которое нагревает сердечник .

Величина потерь второго вида, т. е. потерь, возникающих при циклическом перемагничивании, сильно зависит от материала сердечника. Материал сердечника можно предста­ вить как бы состоящим из большого числа элементарных магнитиков (магнитных диполей), которые в обычном состоя­ нии расположены хаотически. При внесении такого мате­ риала в магнитное поле магнитные диполи начинают пово­ рачиваться в направлении действия магнитного поля. Если магнитное поле переменное, то диполи будут периодически поворачиваться сначала в одну, а потом в другую сторону е частотой изменения данного поля. При этом возникают силы трения и энергия магнитного поля также переходит в тепло, нагревающее сердечник.

61

Для увеличения коэффициента полезного действия тран­ сформатора нужно уменьшить все виды потерь. Потери в меди можно уменьшить путем увеличения сечения прово­ дов обмоток. Однако при этом значительно увеличатся раз­ меры, вес и стоимость трансформатора. Поэтому увеличение сечения проводов производится лишь до такой величины, при которой не наблюдается заметного нагрева обмоток. Потери на перемагничивание значительно уменьшаются, если в качестве материала для сердечника трансформаторов применить специальную магнитомягкую сталь, имеющую определенный состав и структуру.

Наконец, для уменьшения потерь на вихревые токи сер­ дечник собирается не из монолитных стальных брусков, а из отдельных изолированных друг от друга пластин толщи­ ной в несколько десятых долей миллиметра. Кроме того, в состав материала сердечника вводится в качестве присадки кремний. И то и другое способствует увеличению элек­ трического сопротивления сердечника, которое, в свою очередь, влечет за собой уменьшение величины вихревых токов.

В результате всех этих мер коэффициент полезного дей­ ствия трансформатора обычно равен 85—90%.

ВЫБОР СЕЧЕНИЯ СЕРДЕЧНИКА ТРАНСФОРМАТОРА

На величину магнитного потока, создаваемого в сер­ дечнике трансформатора, кроме числа витков первичной обмотки и величины протекающего в ней тока, оказывает влияние и размер самого сердечника. Если трансформатор имеет сердечник малого размера, то создать в таком сер­ дечнике магнитный поток большой величины нельзя и на выходе такого трансформатора получить большую мощ­ ность не удастся. Это объясняется тем, что материал, из которого изготовлен сердечник, имеет способность насыщать­ ся. Явление насыщения состоит в том, что, несмотря на уве­ личение тока в обмотке, магнитный поток в сердечнике, достигнув некоторой максимальной величины, далее прак­ тически не изменяется.

Предположим, что имеется катушка с железным сердеч­ ником, по обмотке которой протекает постоянный ток. При увеличении тока в обмотке магнитный поток будет также увеличиваться. При малых величинах тока возрастание пото­

62

О С Н О В Ы Р А Д И О Т Е Х Н И К И

КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ КОНТУРЫ

ПОНЯТИЕ О КОЛЕБАТЕЛЬНОМ КОНТУРЕ

Колебательный контур является составной частью мно­ гих радиотехнических устройств — приемников, телевизо­ ров, передатчиков и т. д. Без колебательных контуров не мыслима нормальная работа всех этих устройств, и поэтому весьма важно иметь четкое представление о том, что такое колебательный контур и как он работает.

ных элемента — конденсатор С и катушку индуктивности

поле, созданном между обкладками, будет запасена электри­ ческая энергия. После этого поставим ключ В в положение 2 и рассмотрим процессы, которые будут происходить в цепи, образованной катушкой L и конденсатором С.

При разряде конденсатора в катушке возникает ток, протекающий в направлении движения часовой стрелки. Вместе с током возникает магнитное поле в катушке, а так­ же э.д.с. самоиндукции. Из-за тормозящего действия э.д.с. самоиндукции ток в катушке нарастает с запозданием, стре­ мясь к некоторой максимальной величине. По мере того

64

как конденсатор разряжается и напряжение на нем Uc па­ дает, величина тока в цепи растет, но уменьшается скорость нарастания тока и при Uc — О ток в цепи имеет макси­ мальное значение / макс (рис. 33,а). Вся энергия электри­ ческого поля конденсатора преобразуется в энергию магнит­ ного поля катушки, и эта энергия тем больше, чем больше ток в катушке.

Процесс уменьшения напряжения на конденсаторе от пер­ вичного значения до нуля соответствует перемещению

электронов от отрицательной обкладки к положительной. При разряде конденсатора этот процесс перемещения заря­ дов не заканчивается, так как энергия магнитного поля не может мгновенно исчезнуть, потому что ток в цепи с индук­ тивностью не может скачком упасть до нуля. В цепи про­ должает протекать ток, постепенно уменьшающийся по вели­

направления, а затем снова заря­ жаться; теоретически этот процесс будет продолжаться до тех

пор, пока не будет разорвана цепь колебательного контура. Таким образом, в рассматриваемой цепи энергия электри­ ческого поля периодически преобразуется в энергию маг­ нитного поля и наоборот, т. е. в цепи будут происходить регулярные периодические колебания энергии (рис. 34,а). Такая цепь называется к о л е б а т е л ь н ы м к о н т у ­

ро м. А регулярные периодические колебания в нем — и е-

за т у х а ю щ и м и .

Колебательный процесс в контуре совершается с опре­ деленной скоростью — частотой колебаний. Можно дока­ зать, что частота колебаний, происходящих в контуре, зависит от параметров этого контура, т. е. от индуктив­ ности катушки и емкости конденсатора:

Из формулы видно, что чем больше индуктивность катуш­ ки и емкость конденсатора, тем меньше частота колебаний в контуре. Кроме того, из этой формулы можно заключить, что частота колебаний такого контура на зависит ни от каких внешних факторов, а определяется только его собственными параметрами (L и С). Контур «свободен» от внешних влия­ ний и сам с о б с т в е н н ы м и параметрами определяет частоту происходящих в нем колебаний. Именно поэтому колебания, существующие в уединенном контуре, носят на­

КОЛЕБАНИЯ В РЕАЛЬНОМ КОЛЕБАТЕЛЬНОМ КОНТУРЕ

В каждом реальном колебательном контуре всегда су­ ществуют потери электрической энергии, обусловленные на­ личием активного сопротивления проводников катушки и соединительных проводников, активным сопротивлением утечки конденсатора, потерями в диэлектрике каркаса ка­ тушки, подстроечном сердечнике и т. д. Все эти потери можно учесть, введя в схему контура (см.рис.33) некоторое сопротивление г„ (сопротивление потерь), которое соеди­ няется с катушкой и конденсатором последовательно и через которое протекает ток контура.

Сопротивление г„, символизирующее все вышеназванные потери, не является конкретной деталью данного контура, а содержится в нем в неявном виде. Поэтому в принципиаль­ ных схемах приемников, передатчиков и других устройств колебательные контуры всегда изображаются как сочетание только катушки и конденсатора.

6 6

Наличие сопротивления потерь приводит к постепенному уменьшению амплитуды колебаний в контуре (см. рис. 34,6). Такие колебания получили название з а т у х а ю ­ щи х колебаний.

Иногда возникает необходимость увеличения потерь энергии в кон­ туре, для чего достаточно парал­ лельно катушке подключить ш у н ­ т и р у ю щ е е сопротивление R m. Если изменять величину шунти­ рующего сопротивления от очень большой величины в сторону умень­ шения и проследить при этом, как будет изменяться характер колеба­ тельного процесса в контуре, то окажется, что при больших значе­ ниях сопротивления Дшколебания в контуре затухают слабо (рис. 35), при уменьшении сопротивления они начинают затухать быстрее и при

будут сорваны совсем. В последнем случае сочетание катушки индук­ тивности, конденсатора и сопротив­ ления гп перестает быть колебатель­ ным контуром и превращается в обычную электрическую цепь.

ПОНЯТИЕ О РЕЗОНАНСЕ. ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР

В радиотехнике в большинстве случаев возникает необ­ ходимость получения в контуре незатухающих колебаний. Так как в реальном контуре всегда имеются собственные потери, то для получения в нем незатухающих колебаний необходимо компенсировать эти потери путем внесения энер­ гии от какого-либо внешнего источника. Для этой цели к колебательному контуру подключается внешний источник переменной э.д.с. е (рис. 36).

При подключении к зажимам контура источника пере­ менной э.д.с. через контур будет протекать переменный ток.

В контуре возникнут колебания, амплитуда которых пос­ тепенно будет увеличиваться.Энергия, подведенная от внеш­ него источника, частично будет накапливаться в катушке и конденсаторе, а частично будет расходоваться на сопро­ тивлении потерь, преобразуясь в тепло.

Через некоторое время амплитуда колебаний в контуре достигает некоторого максимального значения и в дальней­ шем остается постоянной. В контуре установится состояние динамического равновесия (сколько энергии израсходова­ лось в сопротивлении потерь контура, столько же энергии поступило в контур из внешнего источника). Частота ус­ тановившихся в контуре колебаний определяется частотой

тока внешнего источника. Внешний ис­ точник как бы «навязывает» контуру свой ритм работы и в ы н у ж д а е т его создавать колебания с частотой, равной частоте источника. Такой режим работы контура носит название режима вынуж­ денных колебаний.

Амплитуда установившихся в контуре колебаний зависит от амплитуды тока, потребляемого от источника, и от частоты

собственных колебаний контура. Если частота тока источни­ ка сильно отличается от собственной частоты контура, то амплитуда колебаний, возбуждаемых в контуре, будет мала. Чем меньше частота внешнего источника отличается от час­ тоты собственных колебаний контура, тем больше амплитуда колебаний, получаемых в контуре. Если частота тока источ­ ника с о в п а д а е т с частотой собственных колебаний

источника э.д.с. для поддержания незатухающих колебаний в контуре требуется наименьшее количество энергии (от ис­ точника к контуру протекает наименьший по величине ток).

Явление возрастания амплитуды колебаний тока и на­ пряжения в контуре при совпадении частоты тока внешнего источника с частотой собственных, свободных, колебаний в контуре, называется р е з о н а н с о м .

Частота тока, потребляемого от источника при резо­ нансе, обычно называется р е з о н а н с н о й ч а с т о т о й .

Предположим, что частота тока внешнего источника изменяется от нуля до бесконечно большой величины, про­ ходя через значение резонансной частоты. Рассмотрим, как

68

будут изменяться при этом сопротивления обеих «ветвей» контура: левой, в которой включен конденсатор/и правой, где включена катушка индуктивности (см. рис. 36).

При малых частотах тока источника сопротивление кон­

будет протекать ток большой амплитуды, а через конден­ сатор — ток значительно меньшей амплитуды. Если уве­ личивать частоту тока внешнего источника, то сопротивле­ ние конденсатора будет уменьшаться, а сопротивление ка­ тушки возрастать. В момент, когда частота тока источника совпадает с частотой собственных колебаний контура (т. е. при резонансе), индуктивное сопротивление контура ком­ пенсируется численно равным, но противоположным по зна­ ку емкостным сопротивлением.

Сопротивление любой реактивной ветви контура только для одной,' единственной частоты тока внешнего источ­ ника, равной частоте собственных колебаний контура, на­ зывается характеристическим, или волновым, сопротивле­ нием данного контура.

1 Волновое сопротивление (емкостного и индуктивного характера) обозначается буквой р, имеет размерность сопротивления и определяется по следующей формуле:

где со0 — собственная частота колебаний контура.

При резонансе в контуре оказываются равными не только сопротивления обеих его ветвей, но и токи, протекающие в этих ветвях. В контуре будет существовать так называе­ мый к о н т у р н ы й ток, фаза которого отстает от напря­ жения на контуре на 90°.

Если увеличивать частоту тока источника и далее, то сопротивление конденсатора окажется меньше сопротивле­ ния катушки и, следовательно, через него будет протекать ток большей величины.

При резонансе ток, протекающий в контуре (контурный ток), достигает максимальной величины, в то время как ток, потребляемый от источника, будет минимальным. Раз­ личие в величине контурного тока и тока источника может быть очень большим (десятки и сотни раз). Следовательно, резонанс в радиотехнике является полезным явлением, и к

69