Трансформаторы – принцип действия и структура

March 30, 2012 by admin Комментировать »

Трансформатор – наиболее сложный элемент блока питания, поэтому о нем надо поговорить подробнее. На самом деле учебник для разработчиков трансформаторов малой мощности (малой мощности – это те, которые применяются в усилителях, трансформаторы большой мощности используются на подстанциях) имеет объем порядка 600 страниц. Так что в нашей книге все будет значительно упрощено. И хочу напомнить, что расчет и изготовление трансформаторов выходят за рамки данного издания. Но вооружившись этими знаниями, будет намного проще понять специальную книгу по расчету трансформаторов.

Идеальный трансформатор. Трансформатор преобразует переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты. В простейшем случае трансформатор состоит из двух обмоток, намотанных на замкнутый сердечник из магнитного материала (бывают и однообмоточные автотрансформаторы, применять их для питания усилителей ни в коем случае нельзя!). Числа витков обмоток W1 и W2. Подадим на обмотку I переменное напряжение U1. Потечет ток И (рис.6).

Поскольку у нас есть обмотка с током, то она создает внутри себя магнитное поле (такое же переменное, как и ток). Магнитное поле проходит по сердечнику и попадает во вторую обмотку II. И тут работает закон электромагнитной индукции – в проводнике, помещенном в переменное магнитное поле, наводится напряжение. Строго говоря, в проводнике возникает не напряжение, а электродвижущая сила – ЭДС. Это почти то же самое, но с некоторыми нюансами. Но для простоты будем пользоваться привычным термином "напряжение".

Таким образом, на одной обмотке у нас получается напряжение U1, на другой – U2. И соотношение между ними очень простое:

рабочей индукцией ток хх выглядит так, как показано на рис. 12а и практически не создает высокочастотных помех, поэтому изготовление для аудиотехники трансформаторов с пониженной рабочей индукцией вполне оправдано.

Интересно, что подключение нагрузки и передача энергии во вторичную обмотку ничего не изменяет в работе трансформатора на холостом ходу – это два совершенно независимых процесса! Изменяется лишь форма тока первичной обмотки – теперь там протекает сумма тока холостого хода и тока, передаваемого во вторичку через коэффициент трансформации.

Потери в обмотках трансформатора. Различают два вида потерь – активные и индуктивные (так, для простоты будем называть падение напряжения в обмотке, вызванное индуктивностью, называть это потерями не совсем правильно, но мы будем иметь в виду потери напряжения, а не мощности, так что сойдет). Активные – это падение напряжения на активном сопротивлении проводов обмоток. Чем больше диаметр провода, тем меньше его сопротивление и меньше потери (длина провода фиксирована: она определяется числом витков обмотки и длиной витка – сечением сердечника). Однако максимальный диаметр провода ограничен габаритами сердечника – обмотка должна на нем поместиться. Активные потери пропорциональны квадрату тока обмоток и являются основной причиной нагрева трансформатора (в неправильно сконструированном трансформаторе по этой причине может сильнее греться первичная обмотка, если ток холостого хода слишком велик).

Индуктивные потери связаны с так называемыми полями рассеяния. В идеальном трансформаторе индуктивность обмоток никак не сказывается на его работе по передаче энергии из первичной обмотки во вторичную. Это происходит из-за взаимодействия магнитных полей, создаваемых первичной и вторичной обмотками: магнитное поле вторичной обмотки компенсируется повышением тока первичной обмотки, таким образом, обмотки компенсируют индуктивности друг друга. Но в реальном трансформаторе такой полной стопроцентной компенсации не происходит. Дело в том, что не все магнитное поле, созданное первичной обмоткой, попадает во вторичную. Точно также не все магнитное поле вторичной обмотки попадает в первичную. То поле, которое создано одной из обмоток и не попало в другую, называется полем рассеяния. Именно оно создает индуктивность обмотки, ведь эта индуктивность не может быть скомпенсирована другой обмоткой – компенсация происходит только через общий магнитный поток. Чем больше поля рассеяния, тем больше индуктивность обмоток трансформатора (и тем больше магнитного поля уходит в окружающее пространство в виде помех). На самом деле некомпенсированная индуктивность довольно мала и по величине сопоставима с активным сопротивлением обмоток (обычно немного больше). Работа трансформатора в насыщении или немагнитный зазор в сердечнике резко увеличивают поля рассеяния.

Одним из способов уменьшения этих полей является изготовление беззазорных витых ленточных сердечников. Другим – равномерное распределение обмоток по всему сердечнику. Лучше всего это достигается в тороидальных трансформаторах. Однако в современных трансформаторах величина индуктивных потерь невысока, поэтому в подавляющем большинстве случаев параметры обычных силовых трансформаторов являются достаточно хорошими.

На рис. 13 показана схема замещения обмотки трансформатора.

Здесь Е – ЭДС (возникающее напряжение) обмотки, Rk – активное сопротивление провода обмотки, Lk – индуктивность обмотки, вызванная потоками рассеяния. Если бы их не было, то вся индуктивность вторичной обмотки была бы скомпенсирована первичной обмоткой, а так остается небольшая индуктивность из-за того магнитного поля, которое создано вторичкой, но не попало в первичную обмотку. U – напряжение, выдаваемое обмоткой в нагрузку. При протекании тока часть напряжения падает на Rk и Lk, поэтому U всегда меньше Е. Так возникают просадки напряжения в трансформаторе.

КПД трансформатора довольно высок и для трансформаторов 40…200 ВА составляет 85…92% (чем мощнее трансформатор, тем выше его КПД). Из-за некомпенсированной индуктивности первичной обмотки трансформаторы легко выдерживают короткие высоковольтные импульсы, существующие в сети, поэтому защитные ва- ристоры для них можно не применять (но хуже от применения варистора не будет). А вот длительное перенапряжение трансформаторы выдерживают плохо. Зато хорошо выдерживают кратковременные (порядка секунд) перегрузки по току – вплоть до 3…5 кратных. Это возможно благодаря большой тепловой инерции обмоток. А вот при длительной токовой перегрузке в первичной обмотке (она обычно наматывается внутри и охлаждается хуже) температура может повыситься настолько, что повредится изоляция и произойдет межвитковое замыкание.

Надо помнить, что основной нагрев происходит в обмотках и он пропорционален квадрату тока: при половинной нагрузке нагрев уменьшается почти в 4 раза, а при двукратной перегрузке – растет в 4 раза.

Источник: Рогов И.Е. Конструирование источников питания звуковых усилителей. – Москва: Инфра- Инженерия, 2011. – 160 с.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты