Трансформатор

Все в школе на физике изучали трансформаторы, простые формулы, простые расчеты. Все кажется легко, но когда мне впервые понадобилось перемотать горелый транс, столкнулся с небольшой проблемой — сколько бы раз я его не перематывал, каждый раз новый результат 🙂 В общем, был сделан вывод — что лучше с этим не связываться. Прошло время, я решил вернуться к этой проблеме.

Вместо тысяч слов, проведем опыт. Берем ферритовый стержень и мотаем на него медной проволоки. Условно схематично это будет выглядеть так.

Теперь смотрим видео и пытаемся разобраться, что происходит: когда подносим стержень к блоку питания, светодиод начинает гореть, это при том что на него не подается напряжение, т.е. энергия берется из воздуха. Обратите внимание, от угла под которым подносится стержень зависит яркость свечения.

Физический смысл в том, что вокруг любого проводника, по которому протекает ток, есть электромагнитное поле. Таким образом, все электроприборы в той или иной степени, излучают электромагнитное поле, а блок питания особенно. Есть и другое явление — если внести другой проводник в это поле, то на нем будет наводиться так называемая ЭДС (электродвижущая сила). С точки зрения простого радиолюбителя, на проводнике появится напряжение, соответственно, если подключить нагрузку, то потечет ток. Соответственно, когда мы вносим катушку в поле блока питания, на ней наводится ЭДС, а раз подключен светодиод, значит через него потечет ток.

На подобном принципе основана работа трансформатора. Одна катушка создает поле, а на второй наводится напряжение. Следует отметить, что то на сколько напряжение повысится или понизится на вторичной обмотке называется коэффициентом трансформации и зависит от соотношения числа витков k=n1/n2. Если на первичной намотано 100 витков, а на вторичной 10, то коэффициент трансформации будет 10, т.е. напряжение на выходе будет в 10 раз меньше входного.

Где же применяются трансформаторы? Ответ — везде где только можно, важнее понимать для чего? — в основном для понижения/повышения напряжения(трансформаторы напряжения), реже для повышения/понижения тока (трансформаторы тока). Но все не так просто, нельзя изменить одно без другого, т.е. понизил напряжение — увеличил ток, повысил напряжение — уменьшил ток.

Важно запомнить, что мощность на вторичной стороне не может быть больше чем, на первичной. Если максимальный ток первичной обмотки 0,5А и напряжение 220В, то мощность будет 0,5*220=110Вт. Значит это максимум и для вторичной обмотки. Если нужно получить на вторичной обмотке 9В, то значит мы можем теоретически выжать 110/9=12А. Но это слишком условный расчет, вы должны понимать, что многое зависит от материала сердечника, его исполнения, габаритов, сечения обмоток, и т.п. Все совсем не просто как кажется изначально.

Еще не слова не было сказано про частоту. Сразу отметим, что напряжение может наводиться, только если магнитное поле изменяется, т.е. если на первичку подать постоянное напряжение, то на вторичке ничего наводиться не будет. Так же напряжение будет изменяться с частотой. Наша задача ознакомиться с этим явлением на практике.

На первичную обмотку подаем синус определенной частоты, амплитудой 20В. Измеряем амплитуду на вторичной обмотке осциллографом, нагрузка не подключена. Количество витков было взято произвольное, поэтому на первичке намотан один метр медной проволоки, на вторичке два метра — т.е. транс повышающий. Сечение проводника 0,15 мм.кв. Получилось 40 витков на первичке, 80 на вторичке, поэтому в идеале трансформатор должен увеличить напряжение вдвое.

В качестве основы взято ферритовое кольцо, первое какое попалось под руку

В качестве бонуса я намотал еще один транс, вообще без сердечника, на простой стяжке обмотанной изолентой 😀 с такими же размерами. Чтобы было стало понятно, зачем нужен сердечник, активное сопротивление образцов было одинаковое, чего не скажешь про индуктивность: для того что без феррита — L1=2,7мкГн L2=15мкГн, для того что с ферритовой основой L1=2мГн, L2=9,3мГн.

Но эксперимент не удался — на том трансе, где не было сердечника вообще, с трудом можно увидеть четыре милливольта на частоте 20кГц, при более низких частотах вообще не возможно было разглядеть сигнал

Поэтому все картинки ниже относятся к ферритовому бублику. Начнем с любимых 50Гц.

Обратите внимание на амплитуду — порядка 900мВ, при входных 20В, т.е. остальное ушло в потери. А вот форму сигнала сложно объяснить, скорее всего она зависит от самого сердечника, увы другого не было под рукой. На 100Гц есть небольшое увеличение амплитуды до 2В, хотя форма та же.

В общем то амплитуда постепенно растет, уже на 500Гц практически 10В.

Внезапно, ближе к 1кГц синус начинает приобретать нормальные очертания

Уже после 2кГц он выравнивается и имеет амплитуду 25В, а к 5кГц мы видим идеальную форму, с амплитудой 35В

К 10кГц амплитуда становится 38В, т.е. весьма близкой к ожидаемым 40В.

Уже на 15кГц мы получили то, что должно было в теории т.е. 40В, напомню это при входных 20В. Вплоть до 50кГц никаких различий в амплитуде не было замечено, а большую частоту генератор не выдает 🙂

Таким образом амплитуда на вторичной обмотке сильно зависит от частоты. Допустим, если вам нужен понижающий трансформатор с 220 до 9В и 50Гц, то его габариты и количество затраченной меди будут намного больше, чем такой же трансформатор на 20кГц.

Этот принцип широко используется в импульсных источниках напряжения. Сетевое напряжение выпрямляется и с помощью специальной микросхемы формируется в импульсное напряжение повышенной частоты. Далее, для понижения напряжения, можно использовать ферритовый бублик с парой витков меди. КПД таких преобразователей достигает 90%, может даже и выше и имеют намного меньшие габариты, чем обычные сетевые трансформаторы.

Надо отметить, что вся эта информация это капля в море, при возможности будет дополнять и углублять знания. Поэтому пока усваиваем то что есть и готовимся в ближайшем будущем собрать свой импульсный источник.