3.4. Електричний трансформатор

Трансформатор  електромагнітний пристрій, який перетворює електричну енергію з одним значенням напруги (струму) в електричну енергію з іншим значенням напруги (струму) при незмінній частоті. Найчастіше трансформатор складається з осердя, виготовленого із феромагнетику, і розташованих на ньому однієї первинної та однієї або декількох вторинних обмоток. На рис. 1 кожна з обмоток для наочності зображена на окремому стрижні, хоча насправді обидві обмотки часто розташовуються концентрично на спільному осерді (одна поверх іншоїої), чим досягається більший індуктивний зв’язок між ними. Кінці первинної обмотки приєднуються до джерела змінної напруги, а кінці вторинної  до споживача.

За функціональною ознакою трансформатори поділяються на трансформатори живлення (силові), вимірювальні трансформатори напруги (для перетворення високої напруги в низьку в колах вимірювання й контролю), вимірювальні трансформатори струму (для вимірювання великих струмів з використанням стандартних вимірювальних приладів), високочастотні, імпульсні трансформатори тощо.

2.3.1. Принцип роботи

В основі роботи трансформатора лежить явище електромагнітної індукції. Змінний струм у первинній обмотці I₁ приводить до виникнення в осерді змінного магнітного потоку Ф. Осердя має велику магнітну проникливість, тому весь магнітний потік локалізується переважно в ньому (осердя можна розглядати як так званий магнітопровід). Частина силових ліній магнітного поля, що створюється струмами в первинній і вторинній обмотках, все ж замикаються не в осерді, а в навколишньому середовищі. Це призводить до втрат і враховується внесенням до еквівалентної схеми трансформатора так званих індуктивностей розсіювання.

Змінний магнітний потік наводить у вторинній обмотці електрорушійну силу індукції

, (1)

де М  коефіцієнт взаємоіндукції, який визначається головним чином індуктивностями первинної та вторинної обмоток L₁ i L₂.

Рис. 1. (а) - Спрощена схема трансформатора,

(б) - схемні позначення трансформатора відповідно без осердя,

з металевим і феритовим осердям

. (2)

При під‘єднанні до кінців вторинної обмотки навантаження R_н (див. рис. 1) через нього протікає струм І₂, тобто у колі вторинної обмотки споживається електрична енергія від джерела, увімкненого в коло первинної обмотки. Залежно від співвідношення кількості витків в обмотках трансформатор знижує або підвищує напругу. Через наявність активного опору обмоток навіть при розімкненій вторинній обмотці в первинному колі тече деякий струм, який називається струмом холостого ходу, і споживається деяка потужність холостого ходу.

Щоб кількісно проаналізувати роботу трансформатора, запишемо рівняння Кірхгофа для первинної та вторинної обмоток у комплексній формі:

, (3)

, (4)

де  е.р.с. джерела, , R_i  внутрішній опір джерела електричної енергії (опори провідників, якими намотані котушки звичайно незначні і можуть бути враховані деяким збільшенням величини R_i і R_н). Згідно з викладеним вище, . Знайшовши з (4) і підставивши в (3), отримаємо вираз для струму в первинній обмотці:

. (5)

З формули (5) випливає важливий для розуміння роботи трансформатора висновок: протікання струму у вторинній обмотці наводить е.р.с. у первинній обмотці, що є еквівалентним внесенню в первинну обмотку деякого опору

. (6)

Електрична енергія споживається, як відомо, тільки на активній частині , яка дорівнює

. (7)

Звичайно трансформатор виготовляється так, щоб L₂ >> R_н, і тоді, враховуючи (2), маємо:

. (8)

З курсу електрики відомо, що індуктивність котушки пропорційна квадрату кількості витків, тобто:

, (9)

де m = N₁/N₂  так званий коефіцієнт трансформації, який дорівнює відношенню кількості витків у первинній і вторинній обмотках. З (9) випливає, що внесений в первинну обмотку опір (тобто вхідний опір трансформатора) можна змінювати при заданому навантаженні, змінюючи коефіцієнт трансформації.

Ця властивість трансформатора надзвичайно важлива для практики. Часто опір джерела вхідної напруги R_i і опір навантаження R_н не можна змінити, в той час як для одержання високого коефіцієнта корисної дії  треба, щоб внутрішній опір джерела був набагато меншим від опору навантаження. З викладеного видно, що навантаженням джерела в даному разі служить не опір R_н, а його еквівалент, опір якого дорівнює R_нm². Вибравши великий коефіцієнт трансформації, можна виконати умову R_нm² >> R_i (для того, щоб   1) навіть при малому R_н.

Якщо ж від джерела електричної енергії треба зняти максимально можливу потужність, то, як відомо з електрики, внутрішній опір джерела повинен дорівнювати опору навантаження. Якщо ж R_i  R_н, то, застосувавши трансформатор і вибравши відповідний коефіцієнт трансформації, можна досягти рівності R_i = R_внес = R_нm². За цієї умови коефіцієнт корисної дії трансформатора становить усього 0.5, тобто 50 %.

Коефіцієнт трансформації визначає не тільки величину внесеного в первинну обмотку опору R_внес, але й співвідношення струмів і напруг у первинній і вторинній обмотках у режимі, коли   1, тобто коли ₁ і ₂ і практично дорівнюють відповідним напругам U₁ і U₂. Оскільки е.р.с. індукції пропорційна кількості витків, то

. (9)

Струм у первинній обмотці при такому режимі роботи дорівнює U₁/R_внес, а у вторинній – U₂/R_н. Беручи відношення І₁ до І₂ і враховуючи (9), одержимо:

. (10)

Отже, при збільшенні напруги на вторинній обмотці в m разів одночасно зменшується в m разів і струм у цій обмотці (якщо ж трансформатор понижувальний, вихідна напруга зменшується, а струм збільшується в m разів). Ця властивість, по-перше, дозволяє використовувати один і той же трансформатор або як підвищувальний, або знижувальний залежно від того, в яку обмотку включається джерело е.р.с., а в яку – навантаження. По-друге, цим пояснюється використання високої напруги для передачі електричної енергії на великі відстані за допомогою ліній електропередачі (ЛЕП). Переходячи до високої напруги (сотні тисяч вольт), виникає можливість значну потужність передавати на значні відстані (тисячі кілометрів), практично не втрачаючи енергію через спад напруги на дротах, оскільки струми в ЛЕП відносно малі. Це виправдовує витрати на спорудження самих ЛЕП і подвійне трансформування напруги – її підвищення на електростанціях і зниження – у місцях споживання.

Для зведення до мінімуму втрат у самому трансформаторі його обмотки звичайно виготовляють із мідного дроту з максимально можливою площею перетину, а осердя  із сталі таких сортів, які дозволяють його швидке перемагнічування, тобто з якомога меншою площею петлі гістерезису, (малою коерцитивною силою) (див. рис. 2). Ще однією причиною втрат у трансформаторі є виділення тепла в осерді через збудження в ньому струмів Фуко. Для їх зменшення осердя виготовляють із тонких пластин, ізольованих одна від одної. Коефіцієнт корисної дії силового трансформатора звичайно складає 9599%.

Для нормальної роботи трансформатора потрібно, щоб індуктивні опори його обмоток L₁ і L₂ значно перевищували активні опори, які діють у первинному й вторинному колах (ця умова була використана, зокрема, при виведені формули (8)). Для цього індуктивність обмоток повинна бути значною, тобто магнітна проникливість осердя повинна бути великою, а кількість витків обмоток достатньою. Якщо частоту знижувати, умова може порушитись і коефіцієнт передачі трансформатора зменшиться. Цим пояснюється спад на частотній характеристиці трансформатора на ділянці низьких частот. Для послаблення цього спаду кількість витків доводиться збільшувати, одночасно збільшуючи розміри осердя. Оскільки індуктивний опір лінійно зростає з частотою, умова L >> R виконується на вищих частотах при менших індуктивностях L (габарити й вага силового трансформатора для роботи на частоті 400 Гц набагато менші, ніж на частоті 50 Гц при тій же потужності !).

Рис. 2. Петля гістерезису для залежності магнітної індукції В від напруженості магнітного поля Н : В_m  максимально можлива індукція, Н_с  коерцитивна сила

При збільшенні частоти все більшими стають втрати на перемагнічування матеріалу осердя, що призводить до спаду передаточної характеристики трансформатора на високих частотах (для електротехнічної сталі  на частотах вищих за 1 кГц). Для їх послаблення застосовують осердя із так званого пермалою (сплаву заліза з нікелем), що має меншу коерцитивну силу порівняно зі сталлю й більшу магнітну проникливість (10⁴10⁵ порівняно з 5005000 для електротехнічної сталі).

На ще вищих частотах (> 20 кГц) і це не допомагає, й тому для осердь високочастотних трансформаторів широко застосовуються так звані ферити  складні оксиди заліза та інших металів. Ці матеріали мають у кілька разів більшу магнітну проникливість (порівняно із залізом, що важливо для роботи на низьких частотах), малу коерцитивну силу й низьку електропровідність (малі струми Фуко й малі втрати на перемагнічування на високих частотах). На радіочастотах (аж до сотень мегагерц) доводиться відмовлятись і від феритів, і тому часто застосовують трансформатори без осердя.

Часом на частотній характеристиці трансформатора спостерігається максимум, зумовлений резонансом у коливному контурі, який утворюється котушками разом із паразитними ємностями (так звані міжвиткові ємності). Основними параметрами трансформатора є: 1) номінальна напруга на обмотках, 2) номінальна потужність; 3) струм холостого ходу (розімкненого кола); 4) напруга короткого замикання.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ ДО ТРЕТЬОГО МОДУЛЯ

1. Застосування діодів для випрямлення та помноження напруги. Згладжуючі фільтри. Діодні обмежувачі та їх застосування.

2. Резисторний підсилювальний каскад на лампі та транзисторі. Необхідність зміщення робочої точки. Колекторна та емітерна схеми температурної корекції транзистора.

3. Заходи для зменшення завалів на частотній характеристиці резисторного підсилювача. Схеми частотної корекції в широкополосному підсилювачі.

4. Резонансний підсилювальний каскад на лампі та транзисторі. Частотна характеристика. Призначення.

5. Смуговий високочастотний підсилювач. Схема. Розрахунок частотної характеристики. Режекторні контури.

6. Трансформаторний підсилювач. Частотна характеристика. Узгодження роботи підсилювального елемента з навантаженням.

7. Підсилювачі постійного струму. Усунення постійної складової на виході підсилювального каскаду. Боротьба з дрейфом нуля. Розв’язання проблеми міжкаскадного зв’язку.

8. Від’ємний зворотний зв’язок у підсилювачах. Вираз для коефіцієнта підсилення з урахуванням зворотного зв’язку. Обґрунтувати стабілізуючу дію від’ємного зворотного зв’язку в підсилювачах.

9. Генератори електричних коливань. Умова балансу фаз і амплітуд. LC генератори. Їх різновиди.

10. Низькочастотні RC генератори гармонічних коливань. Їх різновиди.

11. Мультивібратори та блокінг-генератори. Схеми, робота. Призначення.

12. Представлення аналогового сигналу в цифровій формі. Логічні схеми «АБО», «І», «НІ», «АБО-НІ», «І-НІ». Умовні позначення.

13. Тригери. Базова схема. Покращення швидкодії тригера.