Трансформатор, это деталь, которая имеет в своей основе катушки индуктивности и предназначена эта деталь для двойного преобразования. Вначале переменный ток преобразуется в изменяющуюся соответственно этому току магнитную энергию, а затем, за счёт индукции, вновь получают переменный ток. Вы скажете зачем? Ну, при таком преобразовании обычно получают переменный ток с иными параметрами. Напряжение и максимальная сила тока у переменного тока на выходе трансформатора обычно иные, чем на его входе. Например, на входе трансформатора параметры следующие: Urms = 220 V, а максимальная сила тока 0,1 A. На выходе такого трансформатора пусть будет, 22 V и максимальная сила тока 0,75 А. То есть Переменное напряжение понизилось в 10 раз, но, зато и максимальное значение силы тока выросло в семь с половиной раз! Стоп, а почему максимальная сила тока не в 10 раз возросла??? А потому, что при преобразовании энергии, часть этой энергии уходит на обогрев окружающей действительности! Говорят, что КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ (сокращённо КПД) всегда меньше 1, и в приведённом выше примере, он равен 0,75, ну, или если выражать в процентах, то КПД = 75 %. В нашем случае, 25 % электрической энергии теряется в виде бесполезного для нас тепла. Однако, что можно сделать, если нам нужно иное по величине напряжение, чем у нас в электрической розетке? Использование трансформатора, это один из самых простых в техническом плане способов. Трансформатор может не только понижать напряжение переменного тока на выходе, по отношению к входному, но и повышать, однако в последнем случае, будет соответственно уменьшаться максимальный выходной ток по отношению к входному. Естественно, из-за КПД меньше 1, будут и потери. Например, при тех же входных Urms = 220 и ma I = 0,1 A, можно получить 2200 V и 0,0075 A (max), с учётом того же КПД = 0,75 . Правда придётся в таком случае гораздо лучше организовать изоляцию внутри трансформатора, так как 2200 V, это уже довольно значительное напряжение, требующее хорошей изоляции, особенно, если это ещё и переменное напряжение. Более того, в энергетике, сплошь и рядом используют трансформацию переменного тока до гораздо более значительных величин выходного напряжения – до 500 КилоВольт и даже выше. Это делается для передачи электроэнергии на огромные расстояния по стране и между государствами. Ведь, чем выше будет напряжение, тем меньше при той же потребляемой мощности будет сила тока в проводах, а чем меньше будет сила тока, тем меньше эти же провода будут нагреваться и терять энергию в виде тепла. Что очень важно при передаче энергии на огромные расстояния. Выше напряжение, меньше потери. Тем более, что тем выше мощность трансформатора, тем лучше у него и КПД, а в энергетике речь идёт о больших мощностях. Естественно, такие огромные напряжения (речь шла про 500 KV и выше). Не могут напрямую быть использованы потребителем, а должны быть подвержены обратным преобразованиям (трансформации), прежде чем поступят в розетки потребителей. Ну, это мы опять залезли в энергетику, а туда без спец. подготовки, как известно, лезть НЕ НАДО. Опасно это! Да там и трансформаторы в основном трёхфазные.
Вернёмся к трансформаторам, которые используются в быту. Как они устроены? Самый простейший из них можно сделать так. Например, он предназначен для получения пониженного переменного напряжения (такой называют ПОНИЖАЮЩИЙ ТРАНСФОРМАТОР). Катушка индуктивности (в трансформаторах она носит название ОБМОТКА ТРАНСФОРМАТОРА) имеет много витков, допустим 1000, а нам надо понизить с 220 V до 22 V. Тогда в процессе намотки такой катушки, наматывают 100 витков и выводят провод из катушки наружу (говорят, что делают отвод из обмотки). Сделав такой отвод (контакт для пайки), заводят этот провод опять в катушку и продолжают её дальше наматывать, пока не намотают ещё 900 витков. В итоге получается катушка на 1000 витков, с отводом от сотого витка. Теперь, если к крайним выводам катушки подключить напряжение из розетки, то на тех выводах катушки, которые подключены к её части, состоящей из 100 витков, получим десятую часть от входного напряжения. То есть Urms = 22 V. Если же входное напряжение оставить как было, а выходное брать на выводах катушки в 900 витков, то там получим девять десятых от входного. Urms = 9 * 220 V / 10 = 198 V. Чтобы сделать повышение напряжения, к обмотке в 1000 витков, сделав на этом месте отвод обмотки, добавим ещё некоторое количество витков на том же сердечнике, наматывая продолжение в том же направлении, что и ранее. Допустим, мы добавили ещё 500 витков, тогда в нашем трансформаторе можно найти выводы катушки, в которой будет 1500 витков. На этой обмотке трансформатора, мы сможем обнаружить повышенное в полтора раза напряжение по отношению к входному.
Urms = 1500 * 220 V / 1000 = 330 V
Такие трансформаторы традиционно называют АВТОТРАНСФОРМАТОРЫ. Авто в переводе с греческого «сам», что можно переозвучить как «Сам себе трансформатор». Автотрансформаторы имеют ряд недостатков, и самый главный из них, они не обеспечивают РАЗВЯЗКИ ПО ФАЗЕ, или, по другому, ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ РАЗВЯЗКИ. Дело в том, и я уже рассказывала об этом, что напряжение в наших розетках, это ФАЗНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ. Так получилось, что для экономии проводов, один из проводов в промышленных электросетях, это провод, который подключают к поверхности земли (заземляют). В наши розетки приходит два провода: L (одна из трёх фаз трёхфазного напряжения) и провод N (ноль), который как раз где-то в электрощитке или в трансформаторной будке или на подстанции заземлён. Фаза L считается опасной для человека, так как достаточно коснуться одной частью тела за фазу, а второй частью тела, например ногой, коснуться голой земли, водопроводной трубы, арматуры в стене, да просто если даже находиться в сыром помещении, например в ванной комнате, то этого человека может убить электроток. Особо опасно направление тока через область сердца, если его величина превысит 30 mA. Так же нужно учитывать, что в розетках хоть и с технической точки зрения довольно низкая частота (50 Hz), но, всё же это переменный ток! А я уже объясняла, что через конденсаторы при использования переменного тока, постоянно протекают зарядно/разрядные токи. Если учесть, что наше тело, тоже является проводником – в нём слишком много солёных жидкостей (электролитов) и вокруг нас тоже много проводников, связанных с почвой (по сути, проводом N), между телом и землёй воздух (какой-никакой, а диэлектрик)… Подождите… Два проводника, между ними диэлектрик АААА!!! Ведь это же конденсатор!!! А через конденсатор потекут зарядно/разрядные токи. Достаточно коснуться провода L, напрямую, или через какие-то промежуточные детали! Именно на этом основана работа индикатора фазы для электрика. А вы что думали? Почему там лампочка светится в индикаторе? – Ток течёт зарядно/разрядный через тело электрика… ох… и тот конденсатор, который электрик образует с землёй. Правда в индикаторе стоит резистор, сильно ограничивающий эти зарядно/разрядные токи.
Так вот, автотрансформаторы НИКАК НЕ ЗАЩИЩАЮТ от этой беды. В автотрансформаторе одна обмотка является частью другой обмотки, то есть обмотки связаны между собой не только через магнитную связь, но и имеют электрическую (гальваническую по старинке) связь. Поэтому, в какой-то степени, фазное напряжение всегда присутствует и на выходе автотрансформатора, а значит и в той схеме, которая от него запитана.
В более сложном и самом распространённом варианте трансформатора, его обмотки , с которых снимают выходные напряжения, наматывают на том же сердечнике, но наматывают электрически изолированно от той обмотки, на которую поступает входное напряжение. То есть обмотки имеют не связанные друг с другом выводы. Да конечно, для этого требуется больше проводов, однако, сколько жизней уже спасла гальваническая развязка!
В трансформаторах обмотки можно наматывать разным по толщине проводом. Ту обмотку, где больше напряжение, но меньше сила тока, можно намотать более тонким проводом, порою сильно экономя на меди.
Та обмотка, на которую подаётся входной ток, называется ПЕРВИЧНАЯ ОБМОТКА, а та или те, где возникает напряжение только за счёт магнитных полей (то есть ЭДС индукции), называется или называются ВТОРИЧНЫЕ ОБМОТКИ (их может быть несколько).
На рисунке представлено несколько упрощённое устройство трансформатора. Конечно же, обмотки трансформатора наматываются на катушку, обычно из пропитанного парафином или специальными смолами картона. Иначе изолирующий лак обмоточных проводов повредится, и возникнет такая неисправность трансформатора, как МЕЖВИТКОВОЕ КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ. С таким КЗ трансформатор работать конечно не будет. Более того, короткозамкнутый трансформатор может вызвать перегорание предохранителей аппаратуры, или срабатывание защитных автоматов в электрощитке дома/квартиры (я надеюсь, что там у вас всё в порядке). Лично я, если подключаю подозрительную или неисправную аппаратуру в розетку, то подключаю её не напрямую, а либо через промежуточный защитный автомат, с током на 10 A, ну, либо через лампу накаливания (лампу Ильича), с напряжением 220 V и мощностью от 40 W и более, в зависимости от мощности подозрительного аппарата (здесь нужен опыт или сообразительность, чтобы подобрать правильную мощность лампы). В случае сильного КЗ во входных цепях подозрительного аппарата, либо сработает мой промежуточный автомат, либо ярко загорится лампа (электроэнергия выделиться не в нагреве проводов из-за КЗ, а в свечении лампы), что точно спасёт мою проводку в квартире.
В бытовой, сравнительно маломощной аппаратуре, витков в обмотках конечно гораздо больше, если трансформатор работает на частоте 50 Hz. Витков там обычно так много, особенно в первичной обмотке, что они не помещаются в один слой на катушке. Тогда на уже намотанный слой помещают изолирующую бумажку и поверх неё наматывают следующий слой и так далее. Очень часто, после наложения хорошего изолирующего слоя, на уже готовую первичную обмотку наматывают и вторичную обмотку, а то и следом за одной вторичной обмоткой, наматывают и ещё несколько.
Получается довольно толстая катушка, на которую уже потом, после намотки, надевают специальный сердечник, обычно собранный из Ш-образных и I-образных пластинок. Хотя бывают разные варианты сердечников.
Сердечник, набираемый из отдельных пластинок и имеющий такую полностью охватывающую катушку форму, улучшает КПД трансформатора. Во первых он повторяет форму магнитного поля вокруг катушки, во вторых уменьшает так называемые токи Фуко (Фамилия учёного). Это паразитные короткозамкнутые токи в металле сердечника, чем массивнее отдельный кусок металла, тем сильнее эти токи Фуко, а значит и потери в виде нагрева металла сердечника. Сплав у пластин тоже специальный. Так называемое трансформаторное железо, у которого уменьшена такая проблема, как ГИСТЕРЕЗИС. Потери на ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЕ СЕРДЕЧНИКА. Если сердечник как либо намагнитить, то требуется некоторое усилие, а значит и потери энергии, чтобы намагнитить по другому (при смене полупериода электрического тока).
Иногда важно направление намотки обмотки, но если намотаете не так как надо, то просто надо по другому подключиться к обмотке и тогда форма ЭДС в ней перевернётся или, говорят, сдвинется на 180 градусов по фазе, ещё говорят инвертируется. Перевернётся одним словом. Чтобы пояснить этот эффект, посмотрите на синюю вторичную обмотку на ранее представленном рисунке. Она намотана и подключена так, чтобы на ней возникал положительный полупериод тока в тот момент, когда такой же полупериод возникает в первичной обмотке. Однако если намотать катушку вторичной обмотки в другую сторону, то при положительном полупериоде входного тока, здесь будет наоборот отрицательный. Но стоит сделать верхний вывод обмотки нижним, а нижний верхним, и всё окажется по старому. Направление намотки в обмотке бывает важным иногда, когда вторичных обмоток несколько и эти обмотки взаимно подключаются друг к другу чтобы в дальнейшем использовать такое взаимное подключение особым способом. Чить ниже я приведу пример. Так же очень важно направление обмоток, если трансформируется не классический переменный ток синусоидальной формы, а так называемые импульсы тока, со скважностью отличной от 2, однако об этом пока рано говорить.
Если в схеме важно направление намотки, то его могут обозначать жирной точкой на одной какой-то стороне обмотки. Точка, это так называемое начало обмотки. Например, как на следующем рисунке.
Если нижнюю вторичную обмотку здесь включить точкой вниз, то данная схема (двухполупериодный выпрямитель со средней точкой) будет работать неправильно. А именно будет работать как обычный однополупериодный выпрямитель. Диод VD2 будет дублировать работу диода VD1. В один и тот же полупериод ЭДС на вторичных обмотках, оба диода откроются и потекут два тока через открытые диоды и нагрузку Rн на среднюю точку между обмотками, в другой полупериод, оба диода будут закрыты и токи через Rн течь не будут. А в том случае включения обмоток, который представлен на рисунке, в один полупериод будет открываться верхний диод, а в другой нижний и в оба этих полупериода потекут токи в одном направлении, (сверху вниз) через нагрузку Rн.
Основным параметром трансформатора, является коэффициент трансформации. Он может обозначаться числом, либо дробью. Например, если коэффициент трансформации равен 10, или 10:1, то это означает, что в первичной обмотке у него в 10 раз больше витков и, следовательно, во вторичной обмотке напряжение (ЭДС индукции) будет в 10 раз по значению меньше чем входное напряжение. Соотношение витков в одной и той же обмотке, например, в автотрансформаторе, вполне логично обозначают так 4+6 – это означает, что обмотка делится на две части, количество витков в которых относится друг к другу как 6 к четырём.
Например, в одной части 600 витков, тогда в другой 400. На том сайте, который я использую для демонстрации, при настройке кастомного трансформатора (то есть того, которого пожелает пользователь, нестандартного), я построила автотрансформатор следующим способом.
Существуют и иногда применяются трансформаторы с коэффициентом трансформации 1, или 1:1. Это означает, что если на входе такого трансформатора будет напряжение Urms = 220 V, то и на выходе у него так же будет 220 V, правда с чуть меньшим максимальным током из-за КПД меньше единицы. Во! А это ещё зачем??? Кому нужен трансформатор, который только ухудшает параметры переменного тока? А вы помните про гальваническую развязку? Вот именно для этого и применяют. Например, желают для школьников, в кабинете физики сделать более безопасные чем в быту розетки. Пожалуйста! Через трансформатор 1:1 нужной мощности запитывают розетки хоть целого класса. Мощность трансформатора при этом определяется количеством витков, толщиной обмоточных проводов (при этом говорят, о проводах с определённой площадью сечения) и размерами сердечника.
Если понравилось, ставьте лайки, подписывайтесь! Мой email для связи anastasialoposova@yandex.ru