Согласующий трансформатор: принцип действия, разновидности.

С открытием и началом промышленного использования электричества возникла необходимость создания систем его преобразования и доставки к потребителям. Так появились трансформаторы, о принципе действия которых и пойдет речь.

Появлению их на свет предшествовало открытие явления электромагнитной индукции великим английским физиком Майклом Фарадеем почти 200 лет назад. Позже он и его американский коллега Д. Генри нарисовали схему будущего трансформатора.

Трансформатор Фарадея

Первое воплощение идеи в железо состоялось в 1848 году с создания индукционной катушки французским механиком Г. Румкорфом. Свою лепту внесли и российские ученые. В 1872 году профессор Московского университета А.

Г. Столетов открыл петлю гистерезиса и описал структуру ферромагнетика, а 4 года спустя, выдающийся российский изобретатель П. Н. Яблочков получил патент на изобретение первого трансформатора переменного тока.

Как устроен и как работает трансформатор

Трансформаторы – это название огромного «семейства», куда входят однофазные, трехфазные, понижающие, повышающие, измерительные и множество других типов трансформаторов. Основное их назначение – преобразование одного или нескольких напряжений переменного тока в другое на основе электромагнитной индукции при неизменной частоте.

Итак, кратко, как работает простейший однофазный трансформатор. Он состоит из трех основных элементов – первичной и вторичной обмоток и объединяющего их в единое целое магнитопровода, на который они как бы нанизаны. Источник подключается исключительно к первичной обмотке, в то время, как вторичная снимает и передает уже измененное напряжение потребителю.

Принцип работы трансформатора

Подключенная к сети первичная обмотка создает в магнитопроводе переменное электромагнитное поле и формирует магнитный поток, который начинает циркулировать между обмотками, индуцируя в них электродвижущую силу (ЭДС).

Ее величина зависит от числа витков в обмотках. К примеру, для понижения напряжения необходимо, чтобы в первичной обмотке витков было больше, чем во вторичной.

Именно по такому принципу работают понижающие и повышающие трансформаторы.

Важная особенность конструкции трансформатора состоит в том, что магнитопровод имеет стальную структуру, а обмотки, как правило имеющие форму цилиндра, изолированы от него, непосредственно не связаны друг с другом и имеют свою маркировку.

Трансформаторы напряжения

Это, пожалуй, наиболее многочисленная разновидность семейства трансформаторов. В двух словах, их основная функция – сделать произведенную на электростанциях энергию доступной для потребления различными устройствами. Для этого существует система передачи электроэнергии, состоящая из повышающих и понижающих трансформаторных подстанций и линий электропередач.

Вначале электроэнергия, произведенная электростанцией, подается на повышающую трансформаторную подстанцию (к примеру, с 12 до 500 кВ). Это необходимо для того, чтобы компенсировать неизбежные потери электроэнергии при передаче на большие расстояния.

Следующий этап – понижающая подстанция, откуда электроэнергия уже по низковольтной линии подается на понижающий трансформатор и далее к потребителю в виде напряжения 220 в.

Но на этом работа трансформаторов не заканчивается. В большинстве окружающих нас бытовых электроприборов — в ПК, телевизорах, принтерах, стиральных машинах-автоматах, холодильниках, микроволновых печах, DVD и даже в энергосберегающих лампочках установлены понижающие трансформаторы. Пример индивидуального «карманного» трансформатора – зарядное устройство мобильного телефона (смартфона).

Гигантскому разнообразию современных электронных устройств и выполняемых ими функций соответствует множество различных типов трансформаторов. Это далеко не полный их список: силовые, импульсные, сварочные, разделительные, согласующие, вращающиеся, трехфазные, пик-трансформаторы, трансформаторы тока, тороидальные, стержневые и броневые.

Какие они, трансформаторы будущего

Считается, что трансформаторная отрасль весьма консервативна. Тем не менее и ей приходится считаться с революционными изменениями в области электротехники, где все громче о себе заявляют нанотехнологии. Как и множество других устройств, они постепенно «умнеют».

Элегазовые трансформаторы

Активно ведется поиск новых конструкционных материалов – изоляционных и магнитных, способных обеспечить более высокую надежность трансформаторного оборудования. Одним из направлений может стать использование аморфных материалов, что значительно повысит его пожарную безопасность и надежность.

Появятся взрыво- и пожаробезопасные трансформаторы, в которых хлордифенилы, используемые для пропитки электроизоляционных материалов, будут заменены нетоксичными жидкими, экологически безопасными диэлектриками.

Элегазовые трансформаторы

• Примером тому — элегазовые силовые трансформаторы, где функцию хладагента выполняет негорючий элегаз гексафторид серы, вместо далеко не безопасного трансформаторного масла.
• Вопрос времени – создание «умных» электросетей, оснащенных полупроводниковыми твердотельными трансформаторами с электронным управлением, с помощью которых появится возможность регулировать напряжение в зависимости от потребностей потребителей, в частности, подключать к домашней сети возобновляемые и промышленные источники питания, или наоборот отключать лишние, когда в них нет необходимости.

Еще одно перспективное направление – низкотемпературные сверхпроводимые трансформаторы. Работа по их созданию началась еще в 60-е годы.

Главная проблема, с которой столкнулись ученые – огромные размеры криогенных систем, необходимых для изготовления жидкого гелия. Все изменилось в 1986 году, когда были открыты сверхпроводниковые высокотемпературные материалы.

Благодаря им, появилась возможность отказаться от громоздких охлаждающих устройств.

Трансформатор с полупроводниковым преобразователем

Сверхпроводимые трансформаторы обладают уникальным качеством: при высокой плотности тока потери в них минимальны, зато, когда ток достигает критических значений, сопротивление от нулевого уровня резко увеличивается.

Источник: https://www.techcult.ru/science/5124-princip-dejstviya-transformatora

Устройство и принцип работы трансформатора

Здравствуйте, уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Продолжаем знакомство с электронными компонентами и в этой статье рассмотрим устройство и принцип работы трансформатора.

Трансформаторы нашли широкое применение в радио и электротехнике и применяются для передачи и распределения электрической энергии в сетях энергосистем, для питания схем радиоаппаратуры, в преобразовательных устройствах, качестве сварочных трансформаторов и т.п.

Трансформатор предназначен для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины.

В большинстве случаев трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода (сердечника) с расположенными на нем двумя катушками (обмотками) электрически не связанных между собой. Магнитопровод изготавливают из ферромагнитного материала, а обмотки мотают медным изолированным проводом и размещают на магнитопроводе.

Одна обмотка подключается к источнику переменного тока и называется первичной (I), с другой обмотки снимается напряжение для питания нагрузки и обмотка называется вторичной (II). Схематичное устройство простого трансформатора с двумя обмотками показано на рисунке ниже.

1. Принцип работы трансформатора

Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции.

Если на первичную обмотку подать переменное напряжение U1, то по виткам обмотки потечет переменный ток Io, который вокруг обмотки и в магнитопроводе создаст переменное магнитное поле.

Магнитное поле образует магнитный поток Фo, который проходя по магнитопроводу пересекает витки первичной и вторичной обмоток и индуцирует (наводит) в них переменные ЭДС – е1 и е2.

И если к выводам вторичной обмотки подключить вольтметр, то он покажет наличие выходного напряжения U2, которое будет приблизительно равно наведенной ЭДС е2.

При подключении к вторичной обмотке нагрузки, например, лампы накаливания, в первичной обмотке возникает ток I1, образующий в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф1 изменяющийся с той же частотой, что и ток I1.

Под воздействием переменного магнитного потока в цепи вторичной обмотки возникает ток I2, создающий в свою очередь противодействующий согласно закону Ленца магнитный поток Ф2, стремящийся размагнитить порождающий его магнитный поток.

В результате размагничивающего действия потока Ф2 в магнитопроводе устанавливается магнитный поток Фo равный разности потоков Ф1 и Ф2 и являющийся частью потока Ф1, т.е.

Результирующий магнитный поток Фo обеспечивает передачу магнитной энергии из первичной обмотки во вторичную и наводит во вторичной обмотке электродвижущую силу е2, под воздействием которой во вторичной цепи течет ток I2.

Именно благодаря наличию магнитного потока Фo и существует ток I2, который будет тем больше, чем больше Фo.

Но и в то же время чем больше ток I2, тем больше противодействующий поток Ф2 и, следовательно, меньше Фo.

Из сказанного следует, что при определенных значениях магнитного потока Ф1 и сопротивлений вторичной обмотки и нагрузки устанавливаются соответствующие значения ЭДС е2, тока I2 и потока Ф2, обеспечивающие равновесие магнитных потоков в магнитопроводе, выражаемое формулой приведенной выше.

Таким образом, разность потоков Ф1 и Ф2 не может быть равна нулю, так как в этом случае отсутствовал бы основной поток Фo, а без него не мог бы существовать поток Ф2 и ток I2. Следовательно, магнитный поток Ф1, создаваемый первичным током I1, всегда больше магнитного потока Ф2, создаваемого вторичным током I2.

Напряжение вторичной обмотки зависит от соотношения чисел витков в обмотках. При одинаковом числе витков напряжение на вторичной обмотке будет приблизительно равно напряжению, подаваемому на первичную обмотку, и такой трансформатор называют разделительным.

Если вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная, то развиваемое в ней напряжение будет больше напряжения, подаваемого на первичную обмотку, и такой трансформатор называют повышающим.

Если же вторичная обмотка содержит меньшее число витков, чем первичная, то и напряжение ее будет меньше, чем напряжение подаваемое на первичную обмотку, и такой трансформатор называют понижающим.

Следовательно. Путем подбора числа витков обмоток, при заданном входном напряжении U1 получают желаемое выходное напряжение U2. Для этого пользуются специальными методиками по расчету параметров трансформаторов, с помощью которых производится расчет обмоток, выбирается сечение проводов, определяются числа витков, а также толщина и тип магнитопровода.

Трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Если его первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то в магнитопроводе образуется магнитный поток постоянный во времени, по величине и направлению.

В этом случае в первичной и вторичной обмотках не будет индуцироваться переменное напряжение, а следовательно, не будет передаваться электрическая энергия из первичной цепи во вторичную.

Однако если в первичной обмотке трансформатора будет течь пульсирующий ток, то во вторичной обмотке будет индуцироваться переменное напряжение частота которого будет равна частоте пульсации тока в первичной обмотке.

2. Устройство трансформатора

2.1. Магнитопровод. Магнитные материалы

Назначение магнитопровода заключается в создании для магнитного потока замкнутого пути, обладающего минимальным магнитным сопротивлением.

Поэтому магнитопроводы для трансформаторов изготавливают из материалов, обладающих высокой магнитной проницаемостью в сильных переменных магнитных полях.

Материалы должны иметь малые потери на вихревые токи, чтобы не перегревать магнитопровод при достаточно больших значениях магнитной индукции, быть достаточно дешевыми и не требовать сложной механической и термической обработки.

Магнитные материалы, используемые для изготовления магнитопроводов, выпускаются в виде отдельных листов, либо в виде длинных лент определенной толщины и ширины и называются электротехническими сталями.Листовые стали (ГОСТ 802-58) изготавливаются методом горячей и холодной прокатки, ленточные текстурованные стали (ГОСТ 9925-61) только методом холодной прокатки.

Также применяют железноникелевые сплавы с высокой магнитной проницаемостью, например, пермаллой, перминдюр и др. (ГОСТ 10160-62), и низкочастотные магнитомягкие ферриты.

Для изготовления разнообразных относительно недорогих трансформаторов широко применяются электротехнические стали, имеющие небольшую стоимость и позволяющие трансформатору работать как при постоянном подмагничивании магнитопровода, так и без него. Наибольшее применение нашли холоднокатаные стали, имеющие лучшие характеристики по сравнению со сталями горячей прокатки.

Сплавы с высокой магнитной проницаемостью применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, предназначенных для работы при повышенных и высоких частотах 50 – 100 кГц.

Недостатком таких сплавов является их высокая стоимость. Так, например, стоимость пермаллоя в 10 – 20 раз выше стоимости электротехнической стали, а пермендюра – в 150 раз. Однако в ряде случаев их применение позволяет существенно снизить массу, объем и даже общую стоимость трансформатора.

Другим их недостатком является сильное влияние на магнитную проницаемость постоянного подмагничивания, переменных магнитных полей, а также низкая стойкость к механическим воздействиям – удар, давление и т.п.

Из магнитомягких низкочастотных ферритов с высокой начальной проницаемостью изготавливают прессованные магнитопроводы, которые применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, работающих на высоких частотах от 50 – 100 кГц. Достоинством ферритов является невысокая стоимость, а недостатком является низкая индукция насыщения (0,4 – 0,5 Т) и сильная температурная и амплитудная нестабильность магнитной проницаемости. Поэтому их применяют лишь при слабых полях.

Выбор магнитных материалов производится исходя из электромагнитных характеристик с учетом условий работы и назначения трансформатора.

2.2. Типы магнитопроводов

Магнитопроводы трансформаторов разделяются на шихтованные (штампованные) и ленточные (витые), изготавливаемые из листовых материалов и прессованные из ферритов.

Шихтованные магнитопроводы набираются из плоских штампованных пластин соответствующей формы. Причем пластины могут быть изготовлены практически из любых, даже очень хрупких материалов, что является достоинством этих магнитопроводов.

Ленточные магнитопроводы изготавливаются из тонкой ленты, намотанной в виде спирали, витки которой прочно соединены между собой. Достоинством ленточных магнитопроводов является полное использование свойств магнитных материалов, что позволяет уменьшить массу, размеры и стоимость трансформатора.

В зависимости от типа магнитопровода трансформаторы подразделяются на стрежневые, броневые и тороидальные. При этом каждый из этих типов может быть и стрежневым и ленточным.

Стержневые.

В магнитопроводах стержневого типа обмотки располагается на двух стержнях (стержнем называют часть магнитопровода, на которой размещают обмотки). Это усложняет конструкцию трансформатора, но уменьшает толщину намотки, что способствует снижению индуктивности рассеяния, расхода проволоки и увеличивает поверхность охлаждения.

Это объясняется тем, что под влиянием внешнего магнитного поля в обеих катушках индуцируются напряжения, противоположные по фазе, которые при равенстве витков обмоток компенсируют друг друга.

Как правило, стержневыми выполняются трансформаторы большой и средней мощности.

Броневые.

В магнитопроводе броневого типа обмотка располагается на центральном стержне. Это упрощает конструкцию трансформатора, позволяет получить более полное использование окна обмоткой, а также создает некоторую механическую защиту обмотки. Поэтому такие магнитопроводы получили наибольшее применение.

Некоторым недостатком броневых магнитопроводов является их повышенная чувствительность к воздействию магнитных полей низкой частоты, что делает их малопригодными к использованию в качестве выходных трансформаторов с малым уровнем помех. Чаще всего броневыми выполняются трансформаторы средней мощности и микротрансформаторы.

Тороидальные.

Тороидальные или кольцевые трансформаторы позволяют полнее использовать магнитные свойства материала, имеют малые потоки рассеивания и создают очень слабое внешнее магнитное поле, что особенно важно в высокочастотных и импульсных трансформаторах. Но из-за сложности изготовления обмоток не получили широкого применения. Чаще всего их делают из феррита.

1. Для уменьшения потерь на вихревые токи шихтованные магнитопроводы набираются из штампованных пластин толщиной 0,35 – 0,5 мм, которые с одной стороны покрывают слоем лака толщиной 0,01 мм или оксидной пленкой.

Лента для ленточных магнитопроводов имеет толщину от нескольких сотых до 0,35 мм и также покрывается электроизолирующей и одновременно склеивающейся суспензией или оксидной пленкой. И чем тоньше слой изоляции, тем плотнее происходит заполнение сечения магнитопровода магнитным материалом, тем меньше габаритные размеры трансформатора.

За последнее время наряду с рассмотренными «традиционными» типами магнитопроводов находят применение новые формы, к числу которых следует отнести магнитопроводы «кабельного» типа, «обращенный тор», катушечный и др.

На этом пока закончим. Продолжим во второй части.
Удачи!

Литература:

1. В. А. Волгов – «Детали и узлы радио-электронной аппаратуры», Энергия, Москва 1977 г.
2. В. Н. Ванин – «Трансформаторы тока», Издательство «Энергия» Москва 1966 Ленинград.
3. И. И.

Белопольский – «Расчет трансформаторов и дросселей малой моности», М-Л, Госэнергоиздат, 1963 г.
4. Г. Н. Петров – «Трансформаторы. Том 1.

Основы теории», Государственное Энергетическое Издательство, Москва 1934 Ленинград.

5. В. Г. Борисов, – «Юный радиолюбитель», Москва, «Радио и связь» 1992 г.

Источник: https://sesaga.ru/ustrojstvo-i-princip-raboty-transformatora.html

7. Согласующий трансформатор

Согласующий трансформатор

Поскольку трансформаторы способны понижать или увеличивать напряжение и ток на любую величину, а так же эквивалентно передавать энергию между первичной и вторичной обмотками, их можно использовать для «преобразования» импеданса нагрузки на любую величину. Последняя фраза заслуживает некоторого объяснения, поэтому давайте рассмотрим, что это означает.

Задача нагрузки обычно состоит в том, чтобы сделать что-то продуктивное с рассеиваемой мощностью. В случае с резистивным нагревательным элементом практическая цель рассеиваемой мощности состоит в том, чтобы нагреть что-либо.

 Давайте рассмотрим два резистивных нагревательных элемента мощностью 1000 Вт каждый:

Оба нагревателя рассеивают по 1000 ватт мощности, но делают это при разных уровнях напряжения и тока (250 вольт 4 ампера, и 125 вольт 8 ампер). Применив закон Ома (R = U / I) для определения необходимого сопротивления этих нагревательных элементов, мы получим 62,5 Ом и 15,625 Ом соответственно.

 Поскольку обе нагрузки находятся в цепях переменного тока, мы можем говорить не о простом их сопротивлении току, а об импедансе (хотя в нашем случае простое сопротивление — это всё, из чего они состоят, и у них нет реактивного сопротивления).

 Нагреватель на 250 вольт считается нагрузкой с более высоким импедансом, чем нагреватель на 125 вольт.

Если мы возьмем нагревательный элемент рассчитанный на 250 В (из первой схемы), и подключим его к схеме с источником питания на 125 В (ко второй схеме), то нас ждет большое разочарование.

 При импедансе (сопротивлении) 62,5 Ом ток в схеме будет составлять всего 2 А (I = U / R; 125 / 62,5), а мощность, рассеиваемая на нагревательном элементе, будет составлять всего 250 Вт (P = IU; 125 x 2) или четвертую часть от его номинальной мощности.

 Сопротивление нагревательного элемента и напряжение источника в этом случае будут несогласованными, и мы не получим полного рассеивания мощности от нагревателя.

Однако, не все так плохо. У нас получится использовать нагревательный элемент на 250 вольт в схеме с питанием 125 вольт, если мы воспользуемся повышающим трансформатором:

Правильное соотношение обмоток трансформатора обеспечивает повышение напряжения и понижение тока до таких значений, которые необходимы для нормальной работы нагрузки, не соответствующей данному источнику питания.

Давайте внимательно посмотрим на параметры первичной цепи этой схемы: напряжение в ней составляет 125 вольт, а ток — 8 ампер. При таких значениях напряжения и тока источник питания «знает», что он питает нагрузку с импедансом 15,625 Ом (R = E / I). Однако, во вторичной цепи прекрасно себя «чувствует» нагрузка с импедансом 62,5 Ом.

 Отсюда можно сделать вывод, что наш повышающий трансформатор преобразовал не только напряжение и ток, но и импеданс.

Коэффициенты преобразования напряжения, тока и импеданса можно рассчитать по следующим формулам:

Все это согласуется с рассмотренным ранее примером повышающего трансформатора 2:1 и коэффициентом преобразования импеданса от 62,5 Ом до 15,625 Ом (коэффициент 4:1 — это 2:1 в квадрате).

 Преобразование импеданса — это очень полезная особенность трансформаторов, позволяющая нагрузке рассеивать свою полную номинальную мощность даже в том случае, если система питания не обдадает необходимым напряжением, чтобы сделать это напрямую.

А теперь давайте вспомним Теорему о максимуме отдаваемой мощности. В ней говорится, что сопротивление нагрузки будет рассеивать максимальное количество энергии только в том случае, когда это сопротивление будет равно сопротивлению Тевенина / Нортона источника питания. Заменив слово «сопротивление» на «импеданс», мы получим версию данной теоремы для переменного тока.

 Если мы хотим получить максимальное рассеивание мощности нагрузкой, мы должны правильно согласовать импеданс нагрузки и импеданс источника питания (Тевенина / Нортона). Этот вопрос, как правило, больше касается специализированных электрических цепей, таких как радиопередатчики, антенны и аудиоусилители, акустические системы.

 Давайте возьмем систему аудиоусилителя и посмотрим, как она работает:

При внутреннем импедансе 500 Ом усилитель сможет отдать полную мощность только на нагрузку (динамик), также имеющую импеданс 500 Ом. Такая нагрузка будет понижать более высокое напряжение и потреблять меньше тока, чем потреблял бы динамик с импедансом 8 Ом, рассеивая при этом такое же количество энергии.

 Если динамик на 8 Ом подключить непосредственно к усилителю с импедансом 500 Ом, как показано на рисунке, то несоответствие импедансов приведет к значительному ухудшению характеристик (понижению пиковой мощности).

 Кроме того, пытаясь управлять динамиком с низким импедансом, усилитель значительное количество энергии будет рассеивать в виде тепла.

Чтобы наша система работала лучше, можно использовать трансформатор, который будет согласовывать разные импедансы. Поскольку мы переходим от источника питания с высоким импедансом (высокое напряжение, низкий ток) к нагрузке с низким импедансом (низкое напряжение, большой ток), нам необходимо использовать понижающий трансформатор:

Согласующий трансформатор согласовывает импеданс усилителя (500 Ом) с импедансом динамика (8 Ом) с целью достижения  максимальной эффективности. 

Чтобы получить коэффициент преобразования импеданса 500 : 8, нам понадобится соотношение витков первичной и вторичной обмоток равное квадратному корню из 500 : 8 (или квадратному корню из 62,5 : 1 или 7,906 : 1).

 При наличии такого трансформатора динамик будет нагружать усилитель до необходимого предела, потребляя при этом мощность на нужных уровнях напряжения и тока (чтобы соблюсти Теорему о максимуме передаваемой мощности и обеспечить наиболее эффективную подачу мощности в нагрузку).

Трансформатор в данном случае будет называться согласующим.

Любой, кто ездил на «скоростном» велосипеде, может интуитивно понять принцип работы согласующего трансформатора. Ноги человека будут отдавать максимальную мощность при вращении педалей с определенной скоростью (от 60 до 90 оборотов в минуту).

 Выше или ниже этой скорости вращения мышцы ног человека менее эффективно вырабатывают энергию. Целью «звездочек» велосипеда является согласование импеданса ног водителя с условиями езды, чтобы они всегда вращали педали с оптимальной скоростью.

Если велосипедист попытается начать движение на «высокой» передаче, ему будет очень тяжело сдвинуться с места. Почему это произойдет, потому что велосипедист слаб? Конечно же нет.

Это произойдет потому, что высокое передаточное число цепи и звездочек выбранной передачи представляет несоответствие между условием начала движения (большая инерция, которую нужно преодолеть) и ногами велосипедиста (для достижения максимальной выходной мощности ему необходимо вращать педали со скоростью 60-90 об / мин ).

 С другой стороны, выбор слишком «низкой» передачи позволит велосипедисту незамедлительно начать движение, но ограничит максимальную скорость, которую он сможет достичь. Опять же, является ли отсутствие скорости признаком слабости в ногах велосипедиста? И снова нет.

 Это произойдет потому, что более низкое передаточное число выбранной передачи создст другой тип несоответствия между условием начала движения (низкая нагрузка) и ногами велосипедиста (потеря мощности при вращении быстрее, чем 90 об / мин).

 То же самое касается и источников электроэнергии с их нагрузками: для максимальной эффективности системы должно быть соответствие импедансов. В цепях переменного тока трансформаторы выполняют ту же функцию, что и звездочки с цепью на велосипеде, они согласуют импедансы источника и нагрузки.

Согласующие трансформаторы по конструкции или внешнему виду принципиально не отличаются от трансформаторов любого другого типа. На следующей фотографии вы можете увидеть небольшой согласующий трансформатор (шириной около двух сантиметров), использующийся в аудиоусилителях:

На этой печатной плате, в верхнем правом углу, слева от резисторов R2 и R1, можно увидеть другой согласующий трансформатор. Он обозначен как «T1»:

Источник: https://www.radiomexanik.spb.ru/9.-transformatoryi/7.-soglasuyuschiy-transformator.html

Что такое согласующий трансформатор?

Когда я только-только начинал знакомиться в школьные годы с радиолюбительской тематикой и просматривал принципиальные схемы различных устройств в старых книгах и журналах, у меня часто возникал вопрос. Зачем даже в простых схемах, а особенно в ламповых устройствах, применяется столько трансформаторов?

Ведь если открыть более современный журнал Радио, то там с этим полный порядок — трансформаторов в схемах почти нет! Попробуем найти ответ на этот вопрос.

Начать следует прежде всего, что же вообще такое трансформатор и для чего он нужен.

Определение, что такое трансформатор

При реальном использовании электрического тока, часто возникает необходимость изменять напряжение. С постоянным напряжением это бывает сделать проблематично, а вот переменное можно очень просто понижать или повышать с минимальными потерями при помощи трансформатора.

Трансформатор это электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования одного напряжения в другое (или несколько других напряжений) с сохранением частоты. Он состоится двух или более индуктивно связанных обмоток на магнитопроводе (хотя трансформатор, работающий на очень высоких частотах может и не иметь магнитопровода).

Входной ток подаётся на первичную обмотку, а выходной снимается с другой, называемой вторичной.

Если не учитывать небольшие потери в магнитопроводе, то отношение входного и выходного напряжений равно отношению числа витков на первичной обмотке к числу витков на вторичной.

Применение согласующего трансформатора

• Исходя из зависимости отношения напряжений в первичной и вторичной обмотках от отношения количества витков в этих обмотках возникает следствие.
• Отношение сопротивления цепи первичной обмотки по переменному току к сопротивлению вторичной, будет равно квадрату отношения витков в первичной обмотке к вторичной.
• Это позволяет согласовывать сопротивление приемников и источников сигнала, уровни выходных и входных напряжений, которые находятся под разными потенциалами, ведь первичная и вторичная обмотки не связаны друг с другом напрямую.

Для чего это нужно? Вот и рассмотрим различные согласующие трансформаторы, работающие в звуковом диапазоне: входные, выходные, а так же антенный согласующий трансформатор.

Входной трансформатор

Различные, усиливающие звук, устройства имеют на входе операционные усилители. Для оптимальной работы сопротивление источника сигнала должно быть единицы или даже десятки килоом. Тогда усилитель будет работать в правильном режиме с минимальным уровнем шумов.

Но сопротивление многих источников звука гораздо ниже. Например сопротивление динамических микрофонов обычно составляет сотни или десятки ом. Если такой микрофон подключить напрямую на вход усилителя, последний будет работать в режиме, далеком от оптимального.

Справиться с этой проблемой поможет входной согласующий трансформатор. Его коэффициент трансформации можно определить по формуле: отношение количества витков во вторичной обмотке к числу витков в первичной будет равно квадратному корню из отношения эквивалентного сопротивления усилителя к сопротивлению источника.

1. N = W2 /W1 = √(Rш /Rи)
2. Для большинства случаев нормальным будет коэффициент 5-7.
3. Так как первичная и вторичная обмотки согласующего трансформатора не связаны между собой, то есть гальванически развязаны, такую схему можно использовать для подключения микрофонов, требующих для своей работы высоковольтного фантомного питания.

Самые современные операционные усилители при работе с низкоомным источником сигнала без входного трансформатора все равно выдают хорошие характеристики. Но при использовании длинного кабеля, между источником сигнала и входом усилителя, без трансформатора не обойтись. Иначе на качестве итогового сигнала будут отражаться различные наводки.

При использовании входного трансформатора происходит практически полное подавление синфазной помехи. Это свойство применяется в концертной аппаратуре для снижения влияния наводок, когда длина микрофонного провода может достигать десятков метров.

Выходной трансформатор

Долгое время вся техника была построена на радиолампах. Выходное сопротивление лампы очень большое и чтобы связать её например с громкоговорителем с низким сопротивлением, использовался выходной согласующий трансформатор.

Так же для связи между каскадами усиления использовались согласующиеся трансформаторы. Даже при использовании в схеме транзисторов, все равно без трансформаторов было не обойтись.

Это связано с тем, что ранние модели транзисторов не обладали достаточно линейной характеристикой.

Вот и ответ на вопрос, куда пропали трансформаторы, которые были на принципиальных схемах в старых книгах и журналах. Сейчас применяются другие схематические решения, которые соответствуют современной элементной базе.

Согласующий трансформатор для антенны

Точно так же, как и для звукозаписывающей аппаратуры, для радиопередачи идеальным вариантом будет одинаковое выходное сопротивление передатчика, волновое сопротивление фидера и входное сопротивление антенны. В реальности эти сопротивления будут отличаться.

Для уменьшения потерь в линии передачи, а так же для снижения внеполосных излучений используются различные согласующие устройства.

Сопротивление большинства антенн разнится от сотен до единиц ом. Кабели обычно используются стандарные, на 50 или 75 Ом. Выходное сопротивление современных передатчиков обычно 50 Ом.

В случае, если выходное сопротивление передатчика и волновое сопротивление кабеля равны, то согласовывать необходимо только место соединения самой антенны и кабеля. Если же различаются сопротивления антенны, кабеля и передатчика, то понадобится два согласующих устройства: для согласования антенны и фидера, и для согласования фидера и выхода передатчика.

Согласующие трансформаторы для антенны могут быть с гальванической развязкой и без, с ферритовым сердечником и воздушные. Для высоких частот трансформатор может быть даже просто напечатан на плате.

Балун

Линии могут быть симметричные и несимметричные. Проводники симметричной линии одинаковые, как например у витой пары. У несимметричной же линии проводники разные. Примером несимметричной линии является коаксиальный кабель, в котором центральный проводник помещен в экранирующую оплетку.

При прохождении через симметричную линию, электрическое поле возбуждает в ее проводниках токи одинаковой силы и направления. Но когда электрическое поле проходит через несимметричную линию, то на проводники оно воздействует по разному.

Центральный проводник коаксиального кабеля защищен от воздействия внешнего электрического поля. По-этому ток возбуждается только во внешней оплетке и она начинает работать как часть антенны.

Чтобы этого избежать используют специальные согласующие устройства — балуны. Их название происходит от английского balanced-unbalanced, то есть подключение симметричной нагрузки к несимметричному кабелю.

Простейшим балуном будет являться тороидальный ферритовый сердечник, с проходящими через него несколькими витками кабеля. Такой балун является индуктивным фильтром.

При прохождении полезного сигнала через проводники не создается магнитного поля, так как ток равен по амплитуде и противоположен по значению.

А если не создается магнитного поля, значит и индуктивный фильтр не будет препятствовать прохождению полезного сигнала.

Зато при прохождении помехи через оплетку кабеля, создается магнитное поле, а значит балун будет гасить помеху и оставлять полезный сигнал.

Это лишь небольшой обзор группы трансформаторов, ведь в одной статье сложно охватить всё их разнообразие. Хоть с развитием электроники во многих случаях от трансформаторов отказались ввиду их дороговизны, габаритов и веса, все равно для некоторых задач они являются оптимальным и даже единственным выбором.

Источник: https://alexpok-lab.ru/chto-takoe-soglasuyushhij-transformator.html

Принцип работы, устройство и виды трансформаторов

Человеку, мало знакомому с электрикой сложно представить себе, что такое трансформатор, где он задействован, назначение элементов его конструкции.

Общая информация об устройстве

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования тока переменной частоты с одним напряжением в переменный ток с иным напряжением, но с прежней частотой, основанный на явлении электромагнитной индукции.

Применяются приборы во всех сферах деятельности человека: электроэнергетике, радиотехнической, радиоэлектронной промышленности, бытовой сфере.

Конструкция

Устройство трансформатора предполагает наличие одной либо большего числа отдельных катушек (ленточных или проволочных), находящихся под единым магнитным потоком, накрученных на сердечник, изготовленный из ферромагнетика.

Важнейшие конструктивные части следующие:

• обмотка;
• каркас;
• магнитопровод (сердечник);
• охлаждающая система;
• изоляционная система;
• дополнительные части, необходимые в защитных целях, для установки, обеспечения подхода к выводящим частям.

• В приборах чаще всего можно увидеть обмотку двух типов: первичную, получающую электроток от стороннего питающего источника, и вторичную, с которой напряжение снимается.
• Сердечник обеспечивает улучшенный обратный контакт обмоток, обладает пониженным сопротивлением магнитному потоку.
• Некоторые виды приборов, работающие на сверхвысокой и высокой частоте, производятся без сердечника.
• Производство приборов налажено в трех базовых концепциях обмоток:

• броневой;
• тороидальной;
• стержневой.

Устройство трансформаторов стержневых подразумевает накручивание обмотки на сердечник строго горизонтальное. В приборах броневого типа она заключена в магнитопроводе, размещается горизонтально либо вертикально.

Надежность, эксплуатационные особенности, устройство и принцип действия трансформатора принимаются без какого-либо влияния принципа его изготовления.

Принцип работы

Принцип работы трансформатора базируется на эффекте взаимоиндукции.

 Поступление тока переменной частоты от стороннего поставщика электроэнергии на вводы первичной обмотки формирует в сердечнике магнитное поле с переменным потоком, проходящего через вторичную обмотку и индуцирующее образование электродвижущей силы в ней.

Закорачивание на приемнике электроэнергии вторичной обмотки обуславливает прохождение сквозь приемник электротока из-за влияния электродвижущей силы, вместе с тем в первичной обмотке образуется ток нагрузки.

Назначение трансформатора — перемещение преобразованной электрической энергии (без перемены ее частоты) к вторичной обмотке из первичной с подходящим для функционирования потребителей напряжением.

Классификация по видам

Силовые

Силовой трансформатор переменного электротока — это прибор, использующийся в целях трансформирования электроэнергии в подводящих сетях и электроустановках значительной мощности.

Необходимость в силовых установках объясняется серьезным различием рабочих напряжений магистральных линий электропередач и городских сетей, приходящих к конечным потребителям, требующимся для функционирования работающих от электроэнергии машин и механизмов.

Автотрансформаторы

Устройство и принцип работы трансформатора в таком исполнении подразумевает прямое сопряжение первичной и вторичной обмоток, благодаря этому одновременно обеспечивается их электромагнитный и электрический контакт. Обмотки устройств имеют не менее трех выводов, отличающихся своим напряжением.

Основным достоинством этих приборов следует назвать хороший КПД, потому как преобразуется далеко не вся мощность — это значимо для малых расхождениях напряжений ввода и вывода. Минус — неизолированность цепей трансформатора (отсутсвтие разделения) между собой.

Трансформаторы тока

Данным термином принято обозначать прибор, запитанный непосредственно от поставщика электроэнергии, применяющийся в целях понижения первичного электротока до подходящих значений для использующихся в измеряющих и защитных цепях, сигнализации, связи.

Первичная обмотка трансформаторов электротока, устройство которых предусматривает отсутствие гальванических связей, подключается к цепи с подлежащим определению переменным электротоком, а электроизмерительные средства подсоединяются к вторичной обмотке. Текущий по ней электроток примерно соответствует току первичной обмотки, поделенному на коэффициент трансформирования.

Трансформаторы напряжения

Назначение этих приборов — снижение напряжения в измеряющих цепях, автоматики и релейной защиты. Такие защитные и электроизмерительные цепи в устройствах различного назначения отделены от цепей высокого напряжения.

Импульсные

Данные виды трансформаторов необходимы для изменения коротких по времени видеоимпульсов, как правило, имеющих повторение в определенном периоде со значительной скважностью, с приведенным к минимуму изменением их формы. Цель использования — перенос ортогонального электроимпульса с наиболее крутым срезом и фронтом, неизменным показателем амплитуды.

Главным требованием, предъявляющимся к приборам данного типа, является отсутствие искажений при переносе формы преобразованных импульсов напряжения. Действие на вход напряжения какой-либо формы обуславливает получение на выходе импульса напряжения идентичной формы, но, вероятно, с другим диапазоном либо измененной полярностью.

Разделительные

Что такое трансформатор разделительный становится понятно исходя из самого определения — это прибор с первичной обмоткой, не связанной электрически (т.е. разделенной) с вторичными.

1. Существует два типа таких устройств:
2. Силовые применяются с целью улучшения надежности электросетей при непредвиденном синхронном соединении с землей и токоведущими частями, либо элементами нетоковедущими, оказавшимися из-за нарушения изоляции под напряжением.
3. Сигнальные применяются в целях обеспечения гальванической развязки электроцепей.

Согласующие

Как работает трансформатор данного вида также понятно из его названия. Согласующими называются приборы, применяющиеся с целью согласования между собой сопротивления отдельных элементов электросхем с приведенным к минимуму изменением формы сигнала. Также устройства такого типа используются для исключения гальванических взаимодействий между отдельными частями схем.

Пик-трансформаторы

Принцип действия пик-трансформаторов базируется на преобразование характера напряжения, от входного синусоидального в импульсное. Полярность после перехода изменяется по прошествии половины периода.

Сдвоенный дроссель

Его азначение, устройство и принцип действия, как трансформатора, абсолютно идентичны приборам с парой подобных обмоток, которые, в данном случае, абсолютно одинаковы, намотанны встречно или согласованно.

Также часто можно встретить такое наименование данного устройства, как встречный индуктивный фильтр. Это говорит о сфере применения прибора – входная фильтрация напряжения в блоках питания, звуковой технике, цифровых приборах.

Режимы работы

Холостой ход (ХХ)

Такой порядок работы реализуется от размыкания вторичной сети, после чего в ней прекращается течение электротока. В первичной обмотке течет ток холостого хода, составной его элемент — ток намагничивающий.

Когда вторичный ток равен нулю, электродвижущая сила индукции в первичной обмотке целиком возмещает напряжение питающего источника, а потому при пропаже нагрузочных токов, идущий сквозь первичную обмотку ток по своему значению соответствует току намагничивающему.

Функциональное назначение работы трансформаторов вхолостую — определение их важнейших параметров:

• КПД;
• показателя трансформирования;
• потерь в магнитопроводе.

Режим нагрузки

Режим характеризуется функционированием устройства при подаче напряжения на вводы первичной цепи и подключении нагрузки во вторичной. Нагружающий ток идет по «вторичке», а в первичной — суммарный ток нагрузки и ток холостой работы. Этот режим функционирования считается для прибора преобладающим.

На вопрос, как работает трансформатор в основном режиме, отвечает основной закон ЭДС индукции. Принцип таков: подача нагрузки к вторичной обмотке вызывает образование во вторичной цепи магнитного потока, образующего в сердечнике нагружающий электроток.

В первичной цепи паритет электродвижущих сил поставщика электроэнергии и индукции не соблюдается, в первичной обмотке осуществляется повышение электротока до того времени, пока магнитный поток не вернется к своему исходному значению.

Короткое замыкание (КЗ)

Переход прибора в этот режим осуществляется при кратковременном замыкании вторичной цепи. Короткое замыкание — особый тип нагрузки, прилагаемая нагрузка — сопротивление вторичной обмотки — единственная.

Принцип работы трансформатора в режиме КЗ таков: к первичной обмотке приходит незначительное переменное напряжение, выводы вторичной соединяются накоротко.

Напряжение на входе устанавливается с таким расчетом, чтобы величина замыкающего тока соответствовала величине номинального электротока устройства.

Величина напряжения определяет энергопотери, приходящиеся на разогрев обмоток, а также на активное сопротивление.

Такой режим характерен для приборов измерительного типа.

Исходя из многообразия устройств и видов назначения трансформаторов, можно с уверенностью сказать, что на сегодня они — незаменимые, использующиеся практически повсеместно устройства, благодаря которым обеспечивается стабильность и достижение необходимых потребителю значений напряжения, как гражданских сетей, так и сетей предприятий промышленности.

Источник: https://ProTransformatory.ru/vidy/naznachenie-i-ustrojstvo

Согласующие трансформаторы

• Согласующими
  трансформаторами
  называют такие трансформаторы, которые
  предназначены для передачи частотного
  сигнала частотой от нескольких герц до
  сотен килогерц с минимальными искажениями
  и постоянным коэффициентов передачи
  сигнала.
• В зависимости от
  назначения согласующие трансформаторы
  делятся на:
• —
  входные
  согласующие трансформаторы,
  которые предназначены для согласования
  выходного сопротивления входного
  источника сигнала с последующим каскадом;
• —
  межкаскадные
  согласующие трансформаторы,
  которые предназначены для согласования
  выходного сопротивления предыдущего
  каскада с входным сопротивлением
  последующего каскада;
• —
  выходные
  согласующие трансформаторы,
  которые предназначены для согласования
  выходного сопротивления оконечного
  каскада с сопротивление его нагрузки.

Примером
применения согласующих трансформаторов
являются УНЧ. Для согласования высокого
выходного сопротивления предварительного
усилителя с входом усилителя УНЧ
используется входной трансформатор,
для повышения мощности сигнала
используются межкаскадные трансформаторы,
а для согласования выходного сопротивления
усилителя НЧ с низкоомным громкоговорителем
используется выходной трансформатор.

В
качестве материалов для магнитопроводов
согласующих трансформаторов наиболее
широко применяются пермаллои.

На
согласующие трансформаторы помимо
параметров, указанных для силовых
трансформаторов, вводятся дополнительные
параметры:

1. Полоса воспроизводимых частот – это разность нижней и верхней рабочих частот трансформатора, при которых искажения выходного сигнала остаются в пределах заданных.

2. Входное и выходное сопротивления – это сопротивление переменному сигналу входной и выходной обмоток, соответственно.

3. Сопротивление обмоток постоянному току.

4. Индуктивность первичной обмотки.

5. Коэффициент нелинейных искажений на граничных частотах полосы пропускания – это отношение напряжений высших гармоник передаваемого сигнала к напряжению его первой гармоники.

   На коэффициент нелинейных искажений оказывают влияние входное и выходное сопротивление обмоток и индуктивность трансформатора.

   Коэффициент нелинейных искажений можно уменьшить, если использовать сердечники с немагнитным зазором.

1. Коэффициент полезного действия – это отношение мощности, выделяемой на нагрузке к подведенной к трансформатору мощности от источника сигнала.

Система
обозначений входных согласующих
трансформаторов включает в себя следующие
элементы: первый – буква – Т, второй –
буква или сочетание букв (ВТ – входной
для транзисторных устройств), третий –
число – порядковый номер разработки.
Например: обозначение ТВТ-1
– трансформатор
входной согласующий для транзисторных
устройств, номер разработки 1.

Система
обозначений выходных согласующих
трансформаторов включает в себя следующие
элементы: первый – буква – Т, второй –
сочетание букв (ОТ – оконечный для
транзисторных устройств), третий –
число – порядковый номер разработки.
Например: обозначение ТОТ-2
– трансформатор
выходной согласующий для транзисторных
устройств, номер разработки 2.

Система
обозначений согласующих межкаскадных
трансформаторов включает в себя следующие
элементы: первый – буква – Т, второй – буква М или только число (М – миниатюрный),
третий – число – поле буквы М указывает
на мощность в мА·В, а после буквы Т в
А·В, четвертый – число – порядковый
номер разработки. Например: обозначение
ТМ10-50
– трансформатор
миниатюрный межкаскадный согласующий,
мощностью 10 мА·В, номер разработки 50.

1. Справочные
   данные по согласующим трансформаторам
   приводятся в справочной литературе,
   например в [ ].
2. Методика
   конструктивного расчетасогласующего
   трансформатора приведена [].
3. Входными
   данными для расчета согласующего
   трансформатора являются:

• индуктивность первичной обмотки трансформатора;
• сопротивление обмоток трансформатора;
• коэффициент трансформации;
• входной постоянный ток первичной обмотки трансформатора;
• верхнюю и нижнюю рабочие частоты трансформатора.

Источник: https://studfile.net/preview/5154475/page:12/