Расчет стержневого трансформатора с двумя катушками: Расчет стержневого трансформатора

Содержание

Расчет силовых трансформаторов при произвольных законах изменения напряжения и тока

Расчету трансформаторов посвящено много работ, например [1–5]. В данной статье представлен подход к их расчету,
основанный на обеспечении:

  • заданного нагрева магнитопровода (МП) при намагничивании его переменным напряжением произвольной формы и нагрева обмоток рабочим током произвольной формы;

  • получения заданной индуктивности рассеивания, то есть получения заданного значения напряжения короткого замыкания или заданной длительности фронта импульса.

Первый подход хорошо зарекомендовал себя при расчете дросселей с магнитопроводом при произвольной форме тока [6]. Созданная теория подтверждалась результатами статистической обработки значений удельной энергии промышленных дросселей, которая выявила зависимость удельной энергии дросселя как степень 1/7 от значения самой энергии в широких пределах изменения энергий от долей до тысяч джоулей.

Далее не рассматривается расчет «строчных» трансформаторов, которые по виду выполняемых функций являются двухобмоточными дросселями.

В трансформаторе закон изменения индукции задается напряжением, в дросселе — током. Другими словами, сердечник трансформатора намагничивается напряжением, а дросселя — током. Можно выделить несколько типичных несинусоидальных режимов работы трансформатора.

  1. Минимальное и максимальное значения напряжения близки по абсолютному значению, но имеют противоположные знаки
    (рис. 1а). Имеет место режим переменного тока.

  2. Минимальное и максимальное значения напряжения намного отличаются друг от друга, например,
    одно равно 5–10% другого (рис. 1б). Время действия положительного и отрицательного напряжения сильно отличаются.
    Режим принято называть импульсным. Разность между максимальным и минимальным значением индукции называют перепадом Δ

    B
    (иногда размахом), а половину этого значения — амплитудой переменной составляющей Bm.

В обоих режимах постоянная составляющая индуктированного напряжения равна нулю. В противном случае индукция в магнитопроводе стала бы непрерывно нарастать.

Дроссель и трансформатор состоят из одинаковых частей: магнитопровода и обмоток. Задачей конструктивного расчета трансформатора и дросселя является определение основных геометрических размеров магнитопровода, числа витков обмоток, сечения проводов обмоток, а для дросселя — еще и определение размеров воздушного зазора.

Исходными данными для расчета трансформатора являются:

  1. Закон изменения напряжения u(t)

    и тока i(t) с заданными параметрами: средним
    значением напряжения Uср, эффективным значением тока I или амплитудой Im
    и коэффициентом амплитуды импульса ka = Im/I, а также скважностью импульсов
    ν = τи/T (рис. 1б).

  2. Ls — индуктивность рассеивания, или напряжение короткого замыкания uк,
    или τs = Ls/Rн — постоянная времени, где Rн — сопротивление нагрузки
    трансформатора.

Если трансформатор работает совместно с формирующей линией, то при вычислении постоянной времени сопротивление
нагрузки должно быть удвоено, так как сопротивление нагрузки и, как правило, равное ему волновое сопротивление

линии включены последовательно с индуктивностью рассеивания трансформатора.

Далее будут рассмотрены броневые и стержневые типы трансформаторов. Самые плохие условия охлаждения, ввиду закрытости
магни-топровода катушками, имеет стержневой тип с катушками на обоих стержнях. Стержневой тип трансформатора с двумя
катушками эквивалентен тороидальному трансформатору. Удельные потери для этих магнитопроводов, как правило, должны
составлять 3–5 Вт/кг, а для остальных — 7–10 Вт/кг.

Предварительно по принятому значению удельных потерь в магнитопроводе при известном законе изменения индукции
определяют допустимую амплитуду переменной составляющей индукции

Вmc или перепад индукции
ΔBи.

Рассмотрим выбор и расчет режима работы магнитопроводов.

Самым простым является выбор рабочей индукции для работы на очень низких частотах — 10–20 Гц.
В этом случае могут быть применены шихтованные или витые магнитопро-воды из обычных трансформаторных
сталей с толщиной листа или ленты 0,3–0,5 мм. Для импульсных трансформаторов перепад индукций может
быть близким к значению 2Вs. Для обеспечения такого режима должно быть применено смещение рабочей
точки на кривой намагничивания путем подмагничивания МП постоянным током.

На частотах в десятки и сотни герц должен быть проведен традиционный выбор материалов и режимов работы.

На частотах несколько десятков килогерц потери в МП являются определяющими в выборе марки и толщины магнитного
материала. На этих частотах вихревые потери можно регулировать выбором толщины материала. Особо тонкими выпускаются
ленты из пермаллоев (толщиной 10–20 мк) и аморфные или нанокристаллические материалы (25 мк). Гистерезисные потери
не зависят от толщины материала, а на высоких частотах становятся определяющими. Необходимо выбирать материалы с
узкой петлей гистерезиса или с высокой начальной магнитной проницаемостью. Здесь МП из аморфных сплавов практически
не имеют преимуществ по сравнению с МП из высоколегированных сплавов (пермаллоев).

Радикальный способ снижения потерь — это уменьшение рабочего значения индукции вплоть до десятых долей тесла.
Повышенное значение индукции насыщения материала часто оказывается невостребованным. При малом значении индукции

размеры магнитопровода и трансформатора сильно возрастают.

Для повышения индукции и уменьшения размеров трансформатора может быть применен интенсивный обдув или масляное
охлаждение, повышающие теплосъем с поверхностей в 1,5-2 раза. Ферритовые сердечники при естественном охлаждении
позволяют работать с индукцией 0,3-0,4 Тл.

Выше 10-15 кГц — область работы ферри-товых сердечников или обычных сплавов с очень низкими значениями рабочей
индукции или принудительным охлаждением. К сожалению, изготовление ферритовых сердечников больших размеров связано
с технологическими трудностями. Выбор рабочей индукции производится расчетным путем или по графикам справочных
материалов [7, 8].

Объективным способом контроля качества расчета является экспериментальная проверка теплового режима магнитопровода

при выбранной рабочей индукции на опытном сердечнике или его модели. На сердечник наматывается контрольная обмотка
из тонкого провода с числом витков, обеспечивающим выбранное значение индукции при известной амплитуде импульса
контрольного генератора w=Uг × τи/(s × ΔВи).

Такой генератор имеет небольшую мощность, так как обеспечивает намагничивание сердечника только на холостом ходу.
Те участки сердечника, на которых будет располагаться обмотка, могут быть закрыты теплоизоляционным материалом.

Пример результатов проверки приведен на графиках (рис. 2). Выбором магнитного материала и величины рабочей индукции заканчивается первый этап расчета трансформатора.

В последующих выводах принято допущение, что тепловой режим магнитопровода не влияет на тепловой режим катушки. При тепловом расчете магнитопровода и катушек не должны учитываться поверхности их соприкосновения.

Второй этап — расчет обмоток. За основную переменную величину принимаем сечение магнитопровода (первая строка таблицы).
Сечение — единственный геометрический параметр, входящий в формулу закона электромагнитной индукции. Закон инвариантен
по отношению к форме сечения. Через сечение при выбранной конфигурации трансформатора могут быть определены все
остальные размеры трансформатора, например, короткая сторона сечения a=0,5×s1/2 (вторая строка таблицы), длинная
сторона в=2а, высота окна h=4,6а, длина средней силовой линии l

c=(4,6+4,6+2+2+3,14)×а=k2×s1/2
(третья строка таблицы), длина витка lм=k4×s1/2 , сечение окна
sок=k6×s. При вычислении площади охлаждения катушек участки поверхности,
соприкасающиеся с маг-нитопроводом, исключены из общей площади охлаждения.

В таблице приведены данные об отношении открытой для охлаждения поверхности магнитопровода к его объему (k12),
определяющие допустимые удельные потери в сердечнике Вт·м/кг.

Выбор в качестве аргумента сечения s удобен тем, что после определения основных геометрических размеров трансформатора
стержень с прямоугольным сечением может быть заменен стержнем любой формы (например, круглым, ступенчатым) с

равновеликим сечением при сохранении основных электрических параметров трансформатора. В таблице представлен ряд
типовых конструкций трансформаторов броневого и стержневого типов. Два первых — броневые с квадратным и прямоугольным
сечением магнитопровода, два следующих — стержневые с квадратным и прямоугольным сечением магнитопровода с катушками
на каждом стержне, и два последних — тоже стержневые с катушкой на одном стержне.

Проблема рассматривается без учета нелинейности вебер-амперных характеристик и при предположении, что в обмотках
отсутствуют дополнительные каналы охлаждения.

Напряжение, индукция, сечение магнитопровода и число витков связаны законом электромагнитной индукции:

  • при переменном напряжении:

    отсюда может быть найдено число витков:

  • при синусоидальном напряжении:

  • при импульсном напряжении:

    где ΔBи=2Bmc — перепад индукций, Bmc — максимальное
    значение индукции в материале сердечника.

Видно, что при произвольном законе изменения напряжения роль импульса намагничивания играет среднее значение
напряжения за ту часть периода, в которой напряжение выше (или ниже) нуля; эффективное значение тока вычисляется
за целый период. Импульсный режим отличается от периодического, в первую очередь, наличием скважности, отличием
амплитуд и длительностей положительной и отрицательной частей кривой напряжения.

Умножая левую и правую части первых уравнений при переменном режиме на I, а при импульсном режиме на

Iи,
с учетом того, что I=Im/ka√v и T=1/f, получим:

  • при переменном напряжении:

  • при синусоидальном напряжении:

  • при импульсном напряжении:

Покажем, что МДС (Iw)1 катушек каждого магнитопровода имеет некоторое предельное значение, ограниченное
нагревом катушек. Пусть в окне сердечника площадью sок размещается w витков обмотки, коэффициент заполнения
окна проводниковым материалом kм=0,35, тогда активное сопротивление обмотки:

где lм1 — средняя длина одного витка обмотки, ρ=1,85 × 10–8 Ом·м — удельное
сопротивление медного провода.

Для того чтобы сопротивление обмотки и выделяющаяся мощность не увеличивались с ростом рабочей частоты (кГц)
трансформатора, его обмотки должны быть намотаны проводом типа литцендрат. Жила провода литцендрат состоит из
многих изолированных проводников. Диаметр одного проводника (мм) не должен превышать значения [9]:

Мощность, выделяемая в катушке и рассеиваемая ее поверхностью:

где sохл — поверхность охлаждения обмотки, то есть поверхность обмотки за исключением частей,
обращенных к стержню; q=650 Вт/м2 — допустимая плотность теплового потока при превышении температуры
поверхности обмотки над окружающим воздухом на 55 °С.

Для уменьшения индуктивности рассеивания (см. далее) бывает целесообразно при заданной площади окна снизить
толщину намотки, то есть занять обмоткой лишь часть ширины окна. Эта же задача возникает при необходимости
разместить в окне высоковольтную изоляцию первичной или вторичной обмотки.

Введем параметр ß

Предельная МДС зависит от геометрических размеров катушки, коэффициента теплоотдачи с ее поверхности,
удельного сопротивления провода и коэффициента использования ширины окна.

Поверхность охлаждения, площадь окна, площадь сечения сердечника, средняя длина витка для выбранной
формы сердечника могут быть выражены через сечение зазора s, и поэтому

для распространенных геометрических форм магнитопроводов приведены в таблице (при расчетах предполагается
использование системы СИ).

В каждой катушке стержня трансформатора имеется минимум две обмотки, их магнитодвижущие силы равны:
(Iw)1=(Iw)2=(Iw)пред/2. С учетом этого уравнения (3) и (4) примут вид:

  • при переменном напряжении:
  • при синусоидальном напряжении:
  • при импульсном напряжении:

Это первая группа формул для определения сечения магнитопровода проектируемого трансформатора. Затем могут
быть определены остальные размеры, например, короткая сторона сечения магнитопровода a=√s при
квадратной или a=√(s/2) при прямоугольной форме сечения, высота окна h=4a и т. д.

Обратим внимание, что исходными данными для расчета трансформатора на переменном токе являются среднее напряжение
за полпериода и эффективный ток обмоток без учета фазы их взаимного расположения во времени. Другими словами,
размеры трансформатора зависят не от передаваемой активной мощности, а от полной или кажущейся мощности S.

Однако если производить расчет трансформатора исходя только из условий охлаждения, то может оказаться, что
индуктивность рассеивания Ls обмоток будет очень большой, что приведет к недопустимо большому падению напряжения
uк при синусоидальном режиме работы трансформатора, искажению формы кривой при другом законе изменения напряжения
или к недопустимо большой длительности фронта τsи в импульсном режиме.

Значение индуктивности рассеивания Ls пропорционально площади сечения катушек трансформатора в плоскости,
перпендикулярной оси катушек, и обратно пропорционально их длине. Если одна обмотка короче другой, то индуктивность
рассеивания резко возрастает, поэтому длины обмоток должны совпадать. При малом числе витков для выполнения этого
условия секции с малым числом витков должны быть повторены необходимое число раз, а затем соединены параллельно.
Эффективная площадь рассеивания ss представляет сумму третьей части от площади сечения обмоток и полной площади
сечения зазора между обмотками. Если обмотки занимают не всю ширину окна, то:

Значения коэффициента kLs приведены в таблице.

У стержневого трансформатора с двумя катушками длина катушек вдвое больше, чем у трансформаторов остальных видов,
а их толщина вдвое меньше. Индуктивность рассеивания получается примерно в 4 раза меньше, чем у других видов.
Она сопоставима с индуктивностью рассеивания трансформатора, выполненного на тороидальном сердечнике с обмоткой,
расположенной не по всей длине средней силовой линии МП (из-за необходимости выполнить выводы от нижней обмотки).
Однако, если на высоких частотах из-за плохого охлаждения сердечника придется вдвое снизить индукцию, то потребуется
вдвое увеличивать число витков, в четыре раза возрастет индуктивность рассеивания. Преимущества тороидальной конструкции
полностью теряются.

Подставим в формулу (12) значения витков (1) и (2) для обоих режимов и получим:

  • при переменном напряжении
  • при импульсном напряжении

Мы получили вторую пару формул для определения размеров трансформатора. Она определяет размеры трансформатора при
любой форме кривой напряжения. Предполагается, что известно значение индуктивности рассеивания и напряжение той
обмотки, относительно которой определяется эта индуктивность.

Если значение Ls неизвестно, то размеры могут быть определены через относительные величины: напряжение короткого
замыкания для синусоидального режима (понятие напряжение короткого замыкания существует только для синусоидального
режима, когда существует величина — круговая частота ω=2πf) или относительную длительность фронта импульса для
импульсного режима.

Умножим левую и правую части уравнения (13) для синусоидального режима на I, а для импульсного режима
(15) — на Iи и после несложных преобразований получим:

  • при синусоидальном напряжении
  • при импульсном напряжении

где uк=100ω>LsI/U — напряжение короткого замыкания в %, а
для импульсного режима τsи — относительная длительность фронта импульса.

Таким образом, мы получили третью пару формул для определения площади сечения магнитопровода.

Если известны Ls и uк или τsи,
то вторая и третья группы формул дают одинаковый результат. Из найденных по (9-11) сечения s1
и по (14, 16-18) сечения s2 должно быть выбрано большее по величине,
и с ним проведены расчеты остальных геометрических параметров, чисел витков и др. Однако, если сечение,
найденное из (14, 16-18), окажется много больше сечения, полученного из (9-11) с учетом только тепловой
нагрузки трансформатора (через kIw),, то должен быть произведен повторный расчет с β s20/21 ≡ s1) значение р может быть принято равным отношению полученных на первом шаге
сечений s1/s2.

Тепловыделение внутри обмоток трансформатора, поверхность охлаждения и принятая допустимая температура поверхности
катушек определяют максимально допустимую плотность тока в проводах обмоток:

Значения коэффициента kΔ также приведены в таблице.

С учетом найденных соотношений могут быть определены объемы меди обмотки и стали сердечника.

Зная плотность меди и стали, предполагая массу конструктивных элементов (10%), найдем массу этих частей и
общую массу трансформатора, кг:

Значения коэффициентов kg , kg и kg приведены в таблице.

В формулу для определения общей массы трансформатора mТ (21) может быть подставлено
значение сечения из (9). Получим выражение для вычисления массы трансформатора без учета влияния индуктивности
рассеивания:

Используя формулу (17), найдем выражение для массы через полную мощность и напряжение короткого замыкания:

Используя формулу (18), определим массу трансформатора при одновременном задании энергии импульса и постоянной времени цепи нагрузки:

Значения коэффициентов kgSu=kgWz приведены в таблице.

При анализе этих коэффициентов видно, что если проектировать трансформатор с одинаковым уровнем индукции
(если позволяют условия охлаждения МП), то самым легким является стержневой трансформатор с прямоугольным
сечением магнитопровода.

Порядок применения формул для инженерных расчетов покажем на примерах.

Пример 1

Требуется спроектировать трансформатор, работающий от генератора напряжения прямоугольной формы («меандр») с
амплитудой 375 В. Ток нагрузки в виде резонансного контура обуславливает синусоидальную форму тока с эффективным
значением I=Im/(ka√v) = 43 А, рабочая частота 15 кГц, индуктивность рассеивания
должна составлять 9,5 мкГн.

Высокая рабочая частота заставляет сразу обраться к применению ферритового магнитопровода. Коэффициент заполнения
материалом сердечника kc=1. В соответствии с приведенным на рис. 2 графиком выбираем уровень рабочей индукции
Bcm=0,22 Тл.

Выбираем магнитопровод стержневого типа с прямоугольным сечением. Рассчитываем сечение магнитопровода без учета
требований к напряжению короткого замыкания по (9), первоначально с Β=1.

Теперь с учетом требований к индуктивности рассеивания рассчитаем по (16):

Очевидно, трансформатор должен быть выполнен на магнитопроводе с большим сечением — 8,6 см2. По найденному сечению
могут быть определены остальные размеры трансформатора. Например, а=0,71√s=0,02 м,
высота окна h=4a=0,08м; ширина окна 1,6а=0,032м; площадь окна 0,0026 м2 и т. д.
Число витков рассчитываем по формуле (1):

Плотность тока вычисляем по формуле (19):

Сечение провода 43/2,9 = 14,8 мм2, или иначе:

Диаметр составляющих литцендрат проводников по (6) составит 1/√15 = 0,26 мм.

Число витков и сечение другой обмотки будут отличаться в коэффициент трансформации раз.

Масса трансформатора составит mТ= kgs((β+1)/2)s3/2,
mТ=1,40×105×1×(8,6×104)3/2 = 3,5 кг.

Пример 2

Требуется рассчитать трансформатор, работающий совместно с формирующей линией, импульсным напряжением 40 кВ,
током 300 А (импульсная мощность 12 МВт), длительностью импульса 360 мкс, длительностью фронта tф = 10% и частотой
повторения импульсов 1 Гц.

Скважность импульсов 1/0,00036 = 2780. Трансформатор, работающий на активную нагрузку без формирующей линии,
будет иметь постоянную времени фронта вдвое больше — 20%. Длительность фронта — 360×0,2 = 72 мкс = 3τs.
Постоянная времени фронта трансформатора тs составит 72/3=24 мкс. При этом сопротивление нагрузки
Rн=40 000/300=133 Ом, и индуктивность рассеивания LssRн=24×133 = 3200 мкГ.

Расчет начинаем с выбора режима работы магнитного материала сердечника. При частоте повторения 1 Гц можно использовать
любой магнитомягкий материал — листовую трансформаторную сталь. Максимальное значение индукции может
быть ΔВи=2Bs=2,4 Тл.

Выбираем стержневой магнитопровод с квадратным (круглым, ступенчатым) сечением стержня с двумя катушками.

Рассчитываем сечение магнитопровода по энергии импульса без учета требований к длительности фронта (11)
первоначально β=1.

Теперь по энергии импульса с учетом требований к длительности фронта (18) находим s:

Масса трансформатора с сечением 255·10–4 м2 составит в соответствии с (21):

Редкие импульсы не могут сильно нагреть обмотки, поэтому первое сечение и магнитопровод получаются небольшими.
Второе большое сечение является следствием требований, связанных с длительностью фронта, то есть с индуктивностью
рассеивания. Два полученных сечения отличаются примерно в пять раз. Можно в 2-3 раза уменьшить толщину обмотки.
Проведем расчет по тем же формулам (11) и (18) при β=0,4:

Дальнейшие вычисления необходимо производить с этим значением сечения, например, масса трансформатора будет не 1006 кг, а:

Значение В может быть еще уменьшено.

Пример 3

Оценим размеры трансформатора с прямоугольной формой кривых рабочего напряжения и тока (меандр) 50 В, ток 1 А (эфф.) для работы на частоте 50 кГц.

Предполагаем применение ферритового броневого магнитопровода (Ш-образного) с индукцией 200 мТл.

По формуле (9) находим необходимое сечение магнитопровода: 0,31 см2 = 31 мм2.

По формуле (22) его массу: 0,012 кг =12 г и т. д.

Далее могут быть проанализированы другие варианты конструкций, иные соотношения размеров с целью проведения уточнений при той или иной оптимизации (по массе, объему, стоимости, введению каналов охлаждения и т. п.).

Расчет по разработанным формулам типовых, выпускаемых промышленностью рядов трансформаторов серии ТН, ОСМ дает совпадение расчетных параметров с фактическими.

Одинаково успешный расчет и малых, и больших трансформаторов при различных законах изменения напряжения и тока указывает на фундаментальность приведенной теории расчета.

Литература


1. Тихомиров П. М. Расчет трансформаторов. М.: Госэнергоиздат, 1953.

2. Ицхоки Я. С. Импульсная техника. М.: Советское радио, 1949.

3. Булгаков Н. И. Расчет трансформаторов. М.: Госэнергоиздат, 1950.

4. Ицхоки Я. С. Импульсные устройства. М.: Советское радио, 1959.

5. Черкашин Ю. С. Определение условий эквивалентности электрических режимов мощных силовых и импульсных трансформаторов // Электричество. 1966. № 5.

6. Черкашин Ю. С. Расчет дросселей с маг-нитопроводом при произвольной форме тока // Силовая электроника. 2008. № 3.

7. Черкашин Ю. С. Процесс и энергия намагничивания листового магнитопровода при прямоугольном напряжении // Электричество. 1978. № 6.

8. Бабин С. В., Карасев В. В., Филиппов Ф. Е. Характеристики магнитопроводов трансформаторов тока при одновременном воздействии постоянного и переменного магнитного поля // Электротехническая промышленность. 1981. Вып. 6.

9. Черкашин Ю. С. Проектирование катушек индуктивности для мощных радиотехнических устройств // Радиотехника. 1986. № 6.

Стержневой трансформатор — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 2

Стержневой трансформатор

Cтраница 2

В стержневых трансформаторах с этой схемой соединения обмоток должны быть наложены ограничения на ток нулевой последовательности.  [16]

В стержневых трансформаторах обмотки правило, концентрически одна относительно другой, например обмотку НН — внутри обмотки ВН.  [18]

Если рассмотреть однокатушечный стержневой трансформатор, то оказывается, что во всех случаях он существенно проигрывает в отношении и броневых, и тороидальных, и стержневых двухкатушечных трансформаторов.  [20]

При расчете стержневого трансформатора следует иметь в виду, что на каждом стержне помещается половина всех витков каждой обмотки.  [21]

К достоинствам стержневого трансформатора относятся: большая поверхность охлаждения обмоток, небольшая индуктивность рассеяния, так как на каждой катушке размещена половина витков и тем самым уменьшена толщина намотки, меньший расход обмоточной меди, так как с уменьшением толщины намотки уменьшена и средняя длина витка.  [23]

При работе стержневого трансформатора со значительным постоянным под-магничиванием его сердечник собирают с зазором.  [24]

При работе стержневого трансформатора со значительным постоянным подмагничивапием его сердечник собирают с зазором.  [26]

Основными достоинствами стержневого трансформатора являются: большая поверхность охлаждения обмотки; малая индуктивность рассеяния вследствие размещения половинного числа витков на каждой катушке и меньшей толщины намотки; меньший расход обмоточного провода, чем у броневого трансформатора, так как уменьшение намотки вызывает уменьшение средней длины витка обмотки; значительно меньшая, чем в броневом трансформаторе, чувствительность к внешним магнитным полям, так как знаки ЭДС помех, наводимых в обеих катушках трансформатора, противоположны и взаимно уничтожаются.  [27]

При расчете стержневых трансформаторов с обмотками, расположенными на одном стержне, величину kOK следует выбирать такой же, как для трансформаторов броневой конструкции.  [28]

& для стержневого трансформатора с двумя катушками и для броневого трансформатора определяются аналогично.  [29]

Аналогично выполняются и стержневые трансформаторы.  [30]

Страницы:      1    2    3    4    5

Расчет понижающего трансформатора

Типы магнитопроводов силовых трансформаторов.

Магнитопровод низкочастотного трансформатора состоит из стальных пластин. Использование пластин вместо монолитного сердечника уменьшает вихревые токи, что повышает КПД и снижает нагрев.




Простой расчет понижающего трансформатора.

Магнитопроводы вида 1, 2 или 3 получают методом штамповки.
Магнитопроводы вида 4, 5 или 6 получают путём навивки стальной ленты на шаблон, причём магнитопроводы типа 4 и 5 затем разрезаются пополам.

Магнитопроводы бывают:

1, 4 – броневые,
2, 5 – стержневые,
6, 7 – кольцевые.

Чтобы определить сечение магнитопровода, нужно перемножить размеры «А» и «В». Для расчётов в этой статье используется размер сечения в сантиметрах.




Трансформаторы с витыми стержневым поз.1 и броневым поз.2 магнитопроводами.




Трансформаторы с штампованными броневым поз.1 и стержневым поз.2 магнитопроводами.




Трансформаторы с витыми кольцевыми магнитопроводами.

Реклама
Мини-электрическая дрель 220 В в стиле Dremel, 480 Вт Отзывы: ***Упаковано хорошо, все целое, работает,***
Реклама
100 шт./лот DIN7991 метрический M4 черный Болт

Как определить габаритную мощность трансформатора.

Габаритную мощность трансформатора можно приблизительно определить по сечению магнитопровода. Правда, ошибка может составлять до 50%, и это связано с рядом факторов. Габаритная мощность напрямую зависит от конструктивных особенностей магнитопровода, качества и толщины используемой стали, размера окна, величины индукции, сечения провода обмоток и даже качества изоляции между отдельными пластинами.

Чем дешевле трансформатор, тем ниже его относительная габаритная мощность.
Конечно, можно путём экспериментов и расчетов определить максимальную мощность трансформатора с высокой точностью, но смысла большого в этом нет, так как при изготовлении трансформатора, всё это уже учтено и отражено в количестве витков первичной обмотки.
Так что, при определении мощности, можно ориентироваться по площади сечения набора пластин проходящего через каркас или каркасы, если их две штуки.

P = B * S² / 1,69

Где:
P – мощность в Ваттах,
B – индукция в Тесла,
S – сечение в см²,
1,69 – постоянный коэффициент.




Пример:

Сначала определяем сечение, для чего перемножаем размеры А и Б.

S = 2,5 * 2,5 = 6,25 см²

Затем подставляем размер сечения в формулу и получаем мощность. Индукцию я выбрал 1,5Tc, так как у меня броневой витой магнитопровод.

P = 1,5 * 6,25² / 1,69 = 35 Ватт

Если требуется определить необходимую площадь сечения манитопровода исходя из известной мощности, то можно воспользоваться следующей формулой:

S = ²√ (P * 1,69 / B)

Пример:

Нужно вычислить сечение броневого штампованного магнитопровода для изготовления трансформатора мощностью 50 Ватт.

S = ²√ (50 * 1,69 / 1,3) = 8см²

О величине индукции можно справиться в таблице. Не стоит использовать максимальные значения индукции, так как они могут сильно отличаться для магнитопроводов различного качества.

Максимальные ориентировочные значения индукции.





КАК РАССЧИТАТЬ ПОНИЖАЮЩИЙ ТРАНСФОРМАТОР.

В домашнем хозяйстве бывает необходимо оборудовать освещение в сырых помещениях: подвале или погребе и т.д. Эти помещения имеют повышенную степень опасности поражения электрическим током.


В этих случаях следует пользоваться электрооборудованием, рассчитанным на пониженное напряжение питания, не более 42 вольт.
Можно пользоваться электрическим фонарем с батарейным питанием или воспользоваться понижающим трансформатором с 220 вольт на 36 вольт.

В качестве примера давайте рассчитаем и изготовим однофазный силовой трансформатор 220/36 вольт.
Для освещения таких помещений подойдет электрическая лампочка на 36 Вольт и мощностью 25 — 60 Ватт. Такие лампочки с цоколем под стандартный патрон продаются в магазинах электро-товаров.

Если вы найдете лампочку другой мощности, например на 40 ватт, нет ничего страшного — подойдет и она. Просто наш трансформатор будет выполнен с запасом по мощности.

СДЕЛАЕМ УПРОЩЕННЫЙ РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРА 220/36 ВОЛЬТ.

Мощность во вторичной цепи: Р2 = U2 • I2 = 60 ватт

Где:
Р2 – мощность на выходе трансформатора, нами задана 60 ватт;
U2 — напряжение на выходе трансформатора, нами задано 36 вольт;
I2 — ток во вторичной цепи, в нагрузке.

КПД трансформатора мощностью до 100 ватт обычно равно не более η = 0,8.
КПД определяет, какая часть мощности потребляемой от сети идет в нагрузку. Оставшаяся часть идет на нагрев проводов и сердечника. Эта мощность безвозвратно теряется.

Определим мощность потребляемую трансформатором от сети с учетом потерь:

Р1 = Р2 / η = 60 / 0,8 = 75 ватт.

Мощность передается из первичной обмотки во вторичную через магнитный поток в магнитопроводе. Поэтому от значения Р1, мощности потребляемой от сети 220 вольт, зависит площадь поперечного сечения магнитопровода S.




Магнитопровод – это сердечник Ш – образной или О – образной формы, набранный из листов трансформаторной стали. На сердечнике будет располагаться каркас с первичной и вторичной обмотками.

Площадь поперечного сечения магнитопровода рассчитывается по формуле:

S = 1,2 • √P1

Где:
S — площадь в квадратных сантиметрах,
P1 — мощность первичной сети в ваттах.

S = 1,2 • √75 = 1,2 • 8,66 = 10,4 см².

По значению S определяется число витков w на один вольт по формуле:

w = 50 / S

В нашем случае площадь сечения сердечника равна S = 10,4 см.кв.

w = 50 / 10,4 = 4,8 витка на 1 вольт.

Рассчитаем число витков в первичной и вторичной обмотках.

Число витков в первичной обмотке на 220 вольт:

W1 = U1 • w = 220 • 4.8 = 1056 витка.

Число витков во вторичной обмотке на 36 вольт:

W2 = U2 • w = 36 • 4,8 = 172.8 витков, округляем до 173 витка.

Реклама
3 в 1 USB GPS трекер в шнурке с sim-картой на борту
Реклама
Очистительная паста для жала

В режиме нагрузки может быть заметная потеря части напряжения на активном сопротивлении провода вторичной обмотки. Поэтому для них рекомендуется число витков брать на 5-10 % больше рассчитанного. Возьмем W2 = 180 витков.

Величина тока в первичной обмотке трансформатора:

I1 = P1 / U1 = 75 / 220 = 0,34 ампера.

Ток во вторичной обмотке трансформатора:

I2 = P2 / U2 = 60 / 36 = 1,67 ампера.

Диаметры проводов первичной и вторичной обмоток определяются по значениям токов в них исходя из допустимой плотности тока, количества ампер на 1 квадратный миллиметр площади проводника. Для трансформаторов плотность тока, для медного провода, принимается 2 А/мм² .

При такой плотности тока диаметр провода без изоляции в миллиметрах определяется по формуле:

d = 0,8 √I

Для первичной обмотки диаметр провода будет:

d1 = 0,8 √I 1 = 0,8 √0,34 = 0,8 * 0,58 = 0,46 мм. Возьмем 0,5 мм.

Диаметр провода для вторичной обмотки:

d2 = 0,8 √I 2 = 0,8 √1,67 = 0,8 * 1,3 = 1,04 мм. Возьмем 1,1 мм.

ЕСЛИ НЕТ ПРОВОДА НУЖНОГО ДИАМЕТРА, то можно взять несколько, соединенных параллельно, более тонких проводов. Их суммарная площадь сечения должна быть не менее той, которая соответствует рассчитанному одному проводу.

Площадь поперечного сечения провода определяется по формуле:

s = 0,8 • d²

где: d — диаметр провода.

Например: мы не смогли найти провод для вторичной обмотки диаметром 1,1 мм.

Площадь поперечного сечения провода диаметром 1,1 мм равна:

s = 0,8 • d² = 0,8 • 1,1² = 0,8 • 1,21 = 0,97 мм²

Округлим до 1,0 мм².

Из таблицы выбираем диаметры двух проводов сумма площадей поперечного сечения которых равна 1.0 мм².




Например, это два провода диаметром по 0,8 мм. и площадью по 0,5 мм².

Или два провода:

— первый диаметром 1,0 мм. и площадью сечения 0,79 мм²,
— второй диаметром 0,5 мм. и площадью сечения 0,196 мм².
что в сумме дает: 0,79 + 0,196 = 0,986 мм².

Намотка катушки ведется двумя проводами одновременно, строго выдерживается равное количество витков обоих проводов. Начала этих проводов соединяются между собой. Концы этих проводов также соединяются.
Получается как бы один провод с суммарным поперечным сечением двух проводов.

И конечно можно воспользоватся программой для расчета

Намотка сварочных трансформаторов — Намотка сварочных трансформаторов

Как первичную, так и вторичную обмотки трансформатора стержневой конструкции обычно делят на две одинаковые части, размещая их на двух кернах магнитопровода. Каждая из последовательно соединенных частей первичной обмотки — 115 витков провода диаметром не менее 2,65 мм. Если же части первичной катушки предполагают соединять параллельно, каждая должна содержать по 230 витков провода вдвое меньшего сечения — диаметром не менее 1,88 мм. Аналогичным образом делят на две части и вторичную обмотку.

Если обмотки выполняют цилиндрическими, для получения падающей нагрузочной характеристики трансформатора последовательно со вторичной следует включить резистор сопротивлением 0,2…0,4 Ом из нихромового провода диаметром не менее 3 мм. Для трансформатора с дисковыми обмотками этот резистор не потребуется. К сожалению, точный расчет индуктивности рассеяния такого трансформатора практически невозможен, так как она зависит даже от расположения близлежащих металлических предметов. На практике расчет ведут методом последовательных приближений с корректировкой моточных и конструктивных данных трансформатора по результатам испытаний изготовленных образцов. Подробную методику можно найти в [7].

В любительских условиях трудно изготовить трансформатор с подвижными (для регулировки тока) обмотками. Чтобы получить несколько, фиксированных значений тока, делают вторичную обмотку с отводами. Более точную регулировку (в сторону уменьшения тока) производят, добавляя в цепь своеобразную катушку индуктивности — укладывая сварочный кабель в бухту.

Прежде чем приступить к изготовлению рассчитанного трансформатора, целесообразно убедиться, что его обмотки разместятся в окне магнитопровода с учетом необходимых технологических зазоров, толщины материала, из которого изготовлен каркас, и других факторов. Размеры с и h (см. рис. 8) необходимо «подогнать» таким образом, чтобы в каждом слое обмотки уложилось целое число витков выбранного провода, а число слоев также было целым или немного меньшим ближайшего целого. Следует предусмотреть место для межслойной и межобмоточной изоляции.

Наиболее удачный вариант не всегда получают с первой попытки, зачастую приходится неоднократно и довольно существенно корректировать ширину и высоту окна магнитопровода. Проектируя цилиндрические обмотки, необходимо оптимальным образом выбрать размеры их секций. Обычно для вторичной обмотки, намотанной толстым проводом, отводят больше места, чем для первичной.

Эскиз конструкции трансформатора на два значения сварочного тока — 120 и 150А — показан на рис. 11, а схема его включения — на рис. 12. Меньшему току соответствует большее число витков вторичной обмотки. Это не ошибка. Известно, что напряжение обмотки пропорционально числу ее витков, а индуктивность рассеивания растет пропорционально квадрату их числа. В результате ток уменьшается.

Обмотки размещены на двух каркасах из листового стеклотекстолита толщиной 2 мм. Секции первичной и вторичной обмоток на каждом каркасе разделены изолирующей щечкой из того же материала. Отверстия в каркасах для магнитопровода на 1,5…2 мм шире и длиннее поперечного сечения последнего. Это избавляет от проблем при сборке.

Чтобы не допустить деформации каркаса, во время намотки его плотно насаживают на деревянную оправку. Первичная обмотка состоит из двух секций (Г и I»), расположенных на разных каркасах и соединенных параллельно. Каждая из секций — 230 витков провода ПЭВ-2 диаметром 1,9 мм.

Если в наличии имеется провод диаметром 2,7 мм, в секциях можно намотать по 115 витков, но соединить их придется последовательно. Каждый слой провода перед намоткой следующего следует уплотнить легкими ударами деревянного молотка и промазать пропиточным лаком. В качестве межслойной изоляции подойдет прессшпан (электрокартон) толщиной 0,5…1 мм.

Для вторичной обмотки автором была применена алюминиевая шина сечением 30 мм2 (5×6 мм). Если имеется шина приблизительно такой же площади поперечного сечения, но другого размера, придется немного изменить ширину секций каркаса, чтобы разместить обмотку. Неизолированную шину перед намоткой следует плотно обмотать киперной лентой или тонкой хлопчатобумажной тканью, предварительно разрезанной на полосы шириной 20 мм. Толщина изоляции — не более 0,7 мм.

Секции II’ и II» имеют по 34, секции III’ и III» — по 8 витков. Шину укладывают на каркас в два слоя широкой стороной к магнитопроводу. Каждый слой уплотняют легкими ударами деревянного молотка и обильно промазывают пропиточным лаком. Изготовленные катушки следует просушить. Температура и продолжительность сушки зависят от марки пропиточного лака.

Магнитопровод трансформатора набран из пластин холоднокатаной трансформаторной стали толщиной 0,35 мм. В отличие от почти черной горячекатаной стали поверхность листа холоднокатаной — белая. Можно воспользоваться листовой сталью из магнитопроводов вышедших из строя трансформаторов, устанавливаемых на трансформаторных подстанциях. Сталь желательно испытать по методике, о которой рассказано выше.

Если полученное опытным путем значение максимальной индукции Вт значительно отличается от принятого при расчете (1,42 Тл), последний придется повторить и учесть результаты при изготовлении трансформатора. Стальные листы рубят в направлении проката на полосы шириной 40 мм, которые разрезают на пластины длиной 108 и 186 мм. Заусенцы удаляют надфилем или напильником с мелкой насечкой. Магнитопровод собирают «вперекрышку» с возможно меньшими зазорами на стыках пластин.

Готовый трансформатор помещают в защитный кожух из немагнитного материала, например, алюминия. В кожухе обязательно делают вентиляционные отверстия. К сети 220В трансформатор подключают кабелем с медными силовыми жилами сечением не менее 6 мм2 и заземляющим проводом, который соединяют с магнитопроводом трансформатора и его защитным кожухом. Сетевая розетка должна быть трехконтактной (третий — заземлен), рассчитанной на ток не менее 63 А.

Выводы вторичных обмоток надежно соединяют с резьбовыми латунными шпильками диаметром 8… 10 мм, установленными на термостойкой диэлектрической панели, укрепленной на защитном кожухе трансформатора. В качестве сварочных пригодны мягкие медные провода сечением 16…25 мм2.

Заказать расчет трансформатора по индивидуальным параметрам и его изготовление Вы можете по телефону: +7 812 600-15-26

Как своими руками сделать сварочный трансформатор?

В настоящий момент существует несколько модификаций разнообразных сварочных аппаратов. Сварочные трансформаторы своими руками можно изготовить достаточно легко при наличии определенных навыков.

Схема намотки сварочного трансформатора.

Наиболее популярными являются сварки трансформаторные, предназначенные для проведения контактного и дугового сваривания металлических конструкций. Популярность этого типа трансформаторов для сварки обусловлена несколькими причинами:

  • простота и надежность устройства;
  • наличие широкого диапазона использования этого типа аппаратуры;
  • наличие высокой мобильности.

Помимо перечисленных преимуществ, использование этого типа аппаратов имеет целый ряд недостатков, основными среди них считаются следующие:

  • низкий КПД трансформаторного аппарата;
  • высокая зависимость качества шва от наличия навыков работы сварщиком.

Для установки можно изготовить трансформатор собственными руками. Устройство представляет собой агрегат, повышающий силу тока с одновременным понижением его напряжения.

Технология изготовления трансформатора для сварочного аппарата

Разработаны разнообразные схемы сварочного трансформатора. Наибольшую популярность приобрел агрегат, оснащенный П-образной конфигурацией магнитного сердечника. При наличии П-образного магнитного сердечника намотка проволоки первичной и вторичной обмоток осуществляется достаточно просто. П-образные устройства легко подвергаются разборке при необходимости проведения ремонта. Для создания сварочного аппарата требуется знать принцип работы сварочного трансформатора.

Конструкция сварочного трансформатора.

Для того чтобы эксплуатировать аппарат в бытовых нуждах, требуется поставить такие катушки на сердечник, которые бы позволили сваривать металлические заготовки электродами, имеющими диаметр 3-4 мм. При создании агрегата требуется провести расчет сварочного трансформатора. При изготовлении агрегата для сварочного устройства нужно набрать магнитный сердечник. При сборке сердечника следует помнить, что поперечное сечение должно составлять минимум 25-35 см². Расчет сварочного трансформатора, в частности, необходимой площади поперечного сечения, проводят по формуле S=a*b, см².

После проведения расчета и изготовления сердечника выбирается провод для изготовления обмоток. При выборе электропроводника особое внимание уделяется его сечению и общей длине. Для изготовления катушки первичной обмотки лучше всего применять специальный обмоточный термостойкий провод, изготовленный из меди, покрытый х/б или стеклотканевым изоляционным материалом. Желательно, чтобы медный провод имел квадратное или прямоугольное сечение.

При наличии провода требуемого сечения и отсутствии требуемого изоляционного материала его можно изготовить собственными руками. Для этой цели готовится несколько узких полосок из х/б материала или стеклотканевых. Ширина полоски должна составлять 2 см. После изготовления полосок изоляционного материала им осуществляется обмотка медного провода. Обмотанный провод пропитывается электротехническим лаком.

Для того чтобы сварочный аппарат мог хорошо осуществлять сваривание металлических заготовок, нужно обеспечить нормальный уровень напряжения переменного тока без нагрузки. На холостом ходу этот параметр должен быть равен 60-65 В. При проведении сварочных работ напряжение должно быть в пределах 18-24 В в зависимости от диаметра электрода.

Вернуться к оглавлению

Особенности проведения расчета параметров трансформатора для сварочного устройства

Изготовление самодельного сварочного трансформатора требуется начинать с проведения расчета всех технических параметров.

Трёхфазный стержневой трансформатор.

При подготовке к изготовлению трансформатора требуется рассчитать несколько технических параметров оборудования, от которых полностью зависит нормальная работа сварочной установки. Основными параметрами, требующими проведения расчетов, являются следующие:

  • площадь поперечного сечения сердечника;
  • площадь сечения провода первичной обмотки;
  • площадь поперечного сечения провода вторичной обмотки.

При осуществлении расчетов в обязательном порядке требуется учитывать максимальную мощность, которую будет иметь сварочный агрегат. Например, при потребляемой мощности в 5 кВТ площадь поперечного сечения провода первичной обмотки должна составлять около 5 мм². При изготовлении обмотки лучшим вариантом будет, если площадь поперечного сечения составит 6-7 мм². При указанных параметрах потребляемой мощности первичной обмотки и поперечном ее сечении вторичная обмотка должна иметь поперечное сечение в 30 мм² (без учета изоляционного материала).

Перед проведением намотки катушек на сердечник требуется рассчитать не только количество витков, но и длину провода. Первичная обмотка должна иметь напряжение, которое является более низким, нежели в бытовой сети. Для того чтобы понизить напряжение на соответствующее значение, требуется рассчитать количество витков на 1 вольт напряжения для этой цели. Используется формула n=48/Sм, где Sм – площадь сечения сердечника, выраженная в квадратных сантиметрах.

При хорошем, качественном магнитопроводе n=0,9-1. Исходя из этого, общее количество витков катушки определяется в соответствии с формулой W1=U1/n, следовательно, при оптимальных показателях магнитопровода получается около 200-300 витков, в зависимости от поперечного сечения магнитопровода. В зависимости от количества витков выбирается длина медного провода. Показатели вторичной обмотки рассчитываются аналогичным образом.

Вернуться к оглавлению

Осуществление намотки катушек на магнитопроводы

Завершив расчет параметров и подготовив материалы для изготовления трансформатора, можно приступать к наматыванию катушек. Перед намоткой катушек требуется изготовить каркас для наматывания проводника. Этот каркас должен соответствовать параметрам магнитопровода. Размер каркаса должен быть таким, который можно было бы легко надеть на сердечник, изготовленный из текстолита. Намотка катушек осуществляется следующим образом: сначала делается намотка половины первичной обмотки, после чего проводится намотка половины провода вторичной обмотки. Между слоями проводника прокладывается электротехнический картон, стеклоткань или бумага, имеющая спецпропитку. Это требуется для того, чтобы обеспечить более качественную изоляцию.

Схема работы сварочного трансформатора.

Проводя изготовление трансформатора своими руками, требуется учитывать, что проводимые расчеты являются приблизительными. Как показывает практика, расчетные показатели способны сильно отличаться от настоящих показателей. По этой причине требуется при изготовлении агрегата использовать материалы с небольшим запасом. Значительные различия между расчетными и реальными показателями приводят к тому, что после изготовления агрегата требуется проводить его настройку.

После изготовления трансформатора его требуется включить и замерить напряжение на вторичной обмотке. Этот показатель должен составлять 65 В. В случае отклонения от этого значения требуется провести доматывание или сматывание проводника катушки.

Желательно при изготовлении катушки первичной обмотки предусмотреть несколько различных ответвлений для подключения различного входного напряжения. Это позволит работать при различных параметрах входного напряжения, что является особо актуальным для сельской местности, в которой колебания напряжения в бытовой сети являются обычным явлением.

В случае если при проверке работоспособности выясняется, что при расчетах неверно определена магнитная проницаемость, то потребуется либо провести перемотку обмотки, либо переключить клеммы на большее количество витков катушки. Определить мощность трансформатора на холостом ходу можно при помощи подсчетов количества оборотов диска счетчика электроэнергии за единицу времени. После проведения всех настроек лишние витки обмотки можно удалить путем перекусывания провода.

В случае отсутствия проводника требуемого сечения можно наматывать на катушку два провода в параллельном направлении, имеющие меньшее поперечное сечение.

Как рассчитать повышающий трансформатор — Инженер ПТО

Простейший расчет силового трансформатора позволяет найти сечение сердечника, число витков в обмотках и диаметр провода. Переменное напряжение в сети бывает 220 В, реже 127 В и совсем редко 110 В. Для транзисторных схем нужно постоянное напряжение 10 — 15 В, в некоторых случаях, например для мощных выходных каскадов усилителей НЧ — 25÷50 В. Для питания анодных и экранных цепей электронных ламп чаще всего используют постоянное напряжение 150 — 300 В, для питания накальных цепей ламп переменное напряжение 6,3 В. Все напряжения, необходимые для какого-либо устройства, получают от одного трансформатора, который называют силовым.

Силовой трансформатор выполняется на разборном стальном сердечнике из изолированных друг от друга тонких Ш-образных, реже П-образных пластин, а так же вытыми ленточными сердечниками типа ШЛ и ПЛ (Рис. 1).

Его размеры, а точнее, площадь сечения средней части сердечника выбираются с учетом общей мощности, которую трансформатор должен передать из сети всем своим потребителям.

Упрощенный расчет устанавливает такую зависимость: сечение сердечника S в см², возведенное в квадрат, дает общую мощность трансформатора в Вт.

Например, трансформатор с сердечником, имеющим стороны 3 см и 2 см (пластины типа Ш-20, толщина набора 30 мм), то есть с площадью сечения сердечника 6 см², может потреблять от сети и «перерабатывать» мощность 36 Вт. Это упрощенный расчет дает вполне приемлемые результаты. И наоборот, если для питания электрического устройства нужна мощность 36 Вт, то извлекая квадратный корень из 36, узнаем, что сечение сердечника должно быть 6 см².

Например, должен быть собран из пластин Ш-20 при толщине набора 30 мм, или из пластин Ш-30 при толщине набора 20 мм, или из пластин Ш-24 при толщине набора 25 мм и так далее.

Сечение сердечника нужно согласовать с мощностью для того, чтобы сталь сердечника не попадала в область магнитного насыщения. А отсюда вывод: сечение всегда можно брать с избытком, скажем, вместо 6 см² взять сердечник сечением 8 см² или 10 см². Хуже от этого не будет. А вот взять сердечник с сечением меньше расчетного уже нельзя т. к. сердечник попадет в область насыщения, а индуктивность его обмоток уменьшится, упадет их индуктивное сопротивление, увеличатся токи, трансформатор перегреется и выйдет из строя.

В силовом трансформаторе несколько обмоток. Во-первых, сетевая, включаемая в сеть с напряжением 220 В, она же первичная.

Кроме сетевых обмоток, в сетевом трансформаторе может быть несколько вторичных, каждая на свое напряжение. В трансформаторе для питания ламповых схем обычно две обмотки — накальная на 6,3 В и повышающая для анодного выпрямителя. В трансформаторе для питания транзисторных схем чаще всего одна обмотка, которая питает один выпрямитель. Если на какой-либо каскад или узел схемы нужно подать пониженное напряжение, то его получают от того же выпрямителя с помощью гасящего резистора или делителя напряжения.

Число витков в обмотках определяется по важной характеристике трансформатора, которая называется «число витков на вольт», и зависит от сечения сердечника, его материала, от сорта стали. Для распространенных типов стали можно найти «число витков на вольт», разделив 50—70 на сечение сердечника в см:

Так, если взять сердечник с сечением 6 см², то для него получится «число витков на вольт» примерно 10.

Число витков первичной обмотки трансформатора определяется по формуле:

Это значит, что первичная обмотка на напряжение 220 В будет иметь 2200 витков.

Число витков вторичной обмотки определяется формулой:

Если понадобится вторичная обмотка на 20 В, то в ней будет 240 витков.

Теперь выбираем намоточный провод. Для трансформаторов используют медный провод с тонкой эмалевой изоляцией (ПЭЛ или ПЭВ). Диаметр провода рассчитывается из соображений малых потерь энергии в самом трансформаторе и хорошего отвода тепла по формуле:

Если взять слишком тонкий провод, то он, во-первых, будет обладать большим сопротивлением и выделять значительную тепловую мощность.

Так, если принять ток первичной обмотки 0,15 А, то провод нужно взять 0,29 мм.

Разделы сайта

DirectAdvert NEWS

Друзья сайта

Осциллографы

Мультиметры

Купить паяльник

Статистика

Магнитопровод низкочастотного трансформатора состоит из стальных пластин. Использование пластин вместо монолитного сердечника уменьшает вихревые токи, что повышает КПД и снижает нагрев.

Магнитопроводы вида 1, 2 или 3 получают методом штамповки.
Магнитопроводы вида 4, 5 или 6 получают путём навивки стальной ленты на шаблон, причём магнитопроводы типа 4 и 5 затем разрезаются пополам.

1, 4 – броневые,
2, 5 – стержневые,
6, 7 – кольцевые.

Чтобы определить сечение магнитопровода, нужно перемножить размеры «А» и «В». Для расчётов в этой статье используется размер сечения в сантиметрах.

Трансформаторы с витыми стержневым поз.1 и броневым поз.2 магнитопроводами.

Трансформаторы с штампованными броневым поз.1 и стержневым поз.2 магнитопроводами.

Трансформаторы с витыми кольцевыми магнитопроводами.

Габаритную мощность трансформатора можно приблизительно определить по сечению магнитопровода. Правда, ошибка может составлять до 50%, и это связано с рядом факторов. Габаритная мощность напрямую зависит от конструктивных особенностей магнитопровода, качества и толщины используемой стали, размера окна, величины индукции, сечения провода обмоток и даже качества изоляции между отдельными пластинами.

Чем дешевле трансформатор, тем ниже его относительная габаритная мощность.
Конечно, можно путём экспериментов и расчетов определить максимальную мощность трансформатора с высокой точностью, но смысла большого в этом нет, так как при изготовлении трансформатора, всё это уже учтено и отражено в количестве витков первичной обмотки.
Так что, при определении мощности, можно ориентироваться по площади сечения набора пластин проходящего через каркас или каркасы, если их две штуки.

Где:
P – мощность в Ваттах,
B – индукция в Тесла,
S – сечение в см²,
1,69 – постоянный коэффициент.

Сначала определяем сечение, для чего перемножаем размеры А и Б.

Затем подставляем размер сечения в формулу и получаем мощность. Индукцию я выбрал 1,5Tc, так как у меня броневой витой магнитопровод.

Если требуется определить необходимую площадь сечения манитопровода исходя из известной мощности, то можно воспользоваться следующей формулой:

Нужно вычислить сечение броневого штампованного магнитопровода для изготовления трансформатора мощностью 50 Ватт.

О величине индукции можно справиться в таблице. Не стоит использовать максимальные значения индукции, так как они могут сильно отличаться для магнитопроводов различного качества.

Максимальные ориентировочные значения индукции.

КАК РАССЧИТАТЬ ПОНИЖАЮЩИЙ ТРАНСФОРМАТОР.

В домашнем хозяйстве бывает необходимо оборудовать освещение в сырых помещениях: подвале или погребе и т.д. Эти помещения имеют повышенную степень опасности поражения электрическим током.

В этих случаях следует пользоваться электрооборудованием, рассчитанным на пониженное напряжение питания, не более 42 вольт .
Можно пользоваться электрическим фонарем с батарейным питанием или воспользоваться понижающим трансформатором с 220 вольт на 36 вольт .

В качестве примера давайте рассчитаем и изготовим однофазный силовой трансформатор 220/36 вольт.
Для освещения таких помещений подойдет электрическая лампочка на 36 Вольт и мощностью 25 — 60 Ватт . Такие лампочки с цоколем под стандартный патрон продаются в магазинах электро-товаров.

Если вы найдете лампочку другой мощности, например на 40 ватт , нет ничего страшного — подойдет и она. Просто наш трансформатор будет выполнен с запасом по мощности.

Мощность во вторичной цепи: Р2 = U2 • I2 = 60 ватт

Где:
Р2 – мощность на выходе трансформатора, нами задана 60 ватт ;
U2 — напряжение на выходе трансформатора, нами задано 36 вольт ;
I2 — ток во вторичной цепи, в нагрузке.

КПД трансформатора мощностью до 100 ватт обычно равно не более η = 0,8 .
КПД определяет, какая часть мощности потребляемой от сети идет в нагрузку. Оставшаяся часть идет на нагрев проводов и сердечника. Эта мощность безвозвратно теряется.

Определим мощность потребляемую трансформатором от сети с учетом потерь:

Мощность передается из первичной обмотки во вторичную через магнитный поток в магнитопроводе. Поэтому от значения Р1 , мощности потребляемой от сети 220 вольт , зависит площадь поперечного сечения магнитопровода S .

Магнитопровод – это сердечник Ш – образной или О – образной формы, набранный из листов трансформаторной стали. На сердечнике будет располагаться каркас с первичной и вторичной обмотками.

Площадь поперечного сечения магнитопровода рассчитывается по формуле:

Где:
S — площадь в квадратных сантиметрах,
P1 — мощность первичной сети в ваттах.

По значению S определяется число витков w на один вольт по формуле:

В нашем случае площадь сечения сердечника равна S = 10,4 см.кв .

Рассчитаем число витков в первичной и вторичной обмотках.

Число витков в первичной обмотке на 220 вольт:

Число витков во вторичной обмотке на 36 вольт:

В режиме нагрузки может быть заметная потеря части напряжения на активном сопротивлении провода вторичной обмотки. Поэтому для них рекомендуется число витков брать на 5-10 % больше рассчитанного. Возьмем W2 = 180 витков .

Величина тока в первичной обмотке трансформатора:

Ток во вторичной обмотке трансформатора:

Диаметры проводов первичной и вторичной обмоток определяются по значениям токов в них исходя из допустимой плотности тока, количества ампер на 1 квадратный миллиметр площади проводника. Для трансформаторов плотность тока, для медного провода, принимается 2 А/мм² .

При такой плотности тока диаметр провода без изоляции в миллиметрах определяется по формуле:

Для первичной обмотки диаметр провода будет:

Диаметр провода для вторичной обмотки:

ЕСЛИ НЕТ ПРОВОДА НУЖНОГО ДИАМЕТРА , то можно взять несколько, соединенных параллельно, более тонких проводов. Их суммарная площадь сечения должна быть не менее той, которая соответствует рассчитанному одному проводу.

Площадь поперечного сечения провода определяется по формуле:

где: d — диаметр провода.

Например: мы не смогли найти провод для вторичной обмотки диаметром 1,1 мм .

Площадь поперечного сечения провода диаметром 1,1 мм равна:

Округлим до 1,0 мм² .

Из таблицы выбираем диаметры двух проводов сумма площадей поперечного сечения которых равна 1.0 мм² .

Например, это два провода диаметром по 0,8 мм . и площадью по 0,5 мм² .

Или два провода:

— первый диаметром 1,0 мм . и площадью сечения 0,79 мм² ,
— второй диаметром 0,5 мм . и площадью сечения 0,196 мм² .
что в сумме дает: 0,79 + 0,196 = 0,986 мм² .

Намотка катушки ведется двумя проводами одновременно, строго выдерживается равное количество витков обоих проводов. Начала этих проводов соединяются между собой. Концы этих проводов также соединяются.
Получается как бы один провод с суммарным поперечным сечением двух проводов.

Многие электронные и радиотехнические устройства получают питание от нескольких источников постоянного напряжения. Они относятся к так называемым вторичным источникам питания. В качестве первичных источников выступают сети переменного тока, напряжением 127 и 220 вольт, с частотой 50 Гц. Для обеспечения аппаратуры постоянным напряжением, вначале требуется выполнить повышение или понижение сетевого напряжения до необходимого значения. Чтобы получить требуемые параметры, необходимо произвести расчет трансформатора, который выполняет функцию посредника между электрическими сетями и приборам, работающими при постоянном напряжении.

Расчет силового трансформатора

Для точного расчета трансформатора требуются довольно сложные вычисления. Тем не менее, существуют упрощенные варианты формул, используемые радиолюбителями при создании силовых трансформаторов с заданными параметрами.

В начале нужно заранее рассчитать величину силы тока и напряжения для каждой обмотки. С этой целью на первом этапе определяется мощность каждой повышающей или понижающей вторичной обмотки. Расчет выполняется с помощью формул: P2 = I2xU2; P3 = I3xU3;P4 = I4xU4, и так далее. Здесь P2, P3, P4 являются мощностями, которые выдают обмотки трансформатора, I2, I3, I4 – сила тока, возникающая в каждой обмотке, а U2, U3, U4 – напряжение в соответствующих обмотках.

Определить общую мощность трансформатора (Р) необходимо отдельные мощности обмоток сложить и полученную сумму умножить на коэффициент потерь трансформатора 1,25. В виде формулы это выглядит как: Р = 1,25 (Р2 + Р3 + Р4 + …).

Исходя из полученной мощности, выполняется расчет сечения сердечника Q (в см2). Для этого необходимо извлечь квадратный корень из общей мощности и полученное значение умножить на 1,2: . С помощью сечения сердечника необходимо определить количество витков n, соответствующее 1 вольту напряжения: n= 50/Q.

На следующем этапе определяется количество витков для каждой обмотки. Вначале рассчитывается первичная сетевая обмотка, в которой количество витков с учетом потерь напряжения составит: n1 = 0,97 xnxU1. Вторичные обмотки рассчитываются по следующим формулам: n2 = 1,03 x n x U2; n3 = 1,03 x n x U3;n4 = 1,03 x n x U4;…

Любая обмотка трансформатора имеет следующий диаметр проводов:
где I – сила тока, проходящего через обмотку в амперах, d – диаметр медного провода в мм. Определить силу тока в первичной (сетевой) обмотке можно по формуле: I1 = P/U1.Здесь используется общая мощность трансформатора.

Далее выбираются пластины для сердечника с соответствующими типоразмерами. В связи с этим, вычисляется площадь, необходимая для размещения всей обмотки в окне сердечника. Необходимо воспользоваться формулой: Sм = 4 x (d1 2 n1 + d2 2 n2 +d3 2 n3 + d4 2 n4 + …), в которой d1, d2, d3 и d4 – диаметр провода в мм, n1, n2, n3 и n4 – количество витков в обмотках. В этой формуле берется в расчет толщина изоляции проводников, их неравномерная намотка, место расположения каркаса в окне сердечника.

Полученная площадь Sм позволяет выбрать типоразмер пластины таким образом, чтобы обмотка свободно размещалась в ее окне. Не рекомендуется выбирать окно, размеры которого больше, чем это необходимо, поскольку это снижает нормальную работоспособность трансформатора.

Заключительным этапом расчетов будет определение толщины набора сердечника (b), осуществляемое по следующей формуле: b = (100 xQ)/a, в которой «а» – ширина средней части пластины. После выполненных расчетов можно выбирать сердечник с необходимыми параметрами.

Как рассчитать мощность трансформатора

Чаще всего необходимость расчета мощности трансформатора возникает при работе со сварочной аппаратурой, особенно когда технические характеристики заранее неизвестны.

Мощность трансформатора тесно связана с силой тока и напряжением, при которых аппаратура будет нормально функционировать. Самым простым вариантом расчета мощности будет умножение значения напряжения на величину силы тока, потребляемого устройством. Однако на практике не все так просто, прежде всего из-за различия в типах устройств и применяемых в них сердечников. В качестве примера рекомендуется рассматривать Ш-образные сердечники, получившие наиболее широкое распространение, благодаря своей доступности и сравнительно невысокой стоимости.

Для расчета мощности трансформатора понадобятся параметры его обмотки. Эти вычисления проводятся по такой же методике, которая рассматривалась ранее. Наиболее простым вариантом считается практическое измерение обмотки трансформатора. Показания нужно снимать аккуратно и максимально точно. После получения всех необходимых данных можно приступать к расчету мощности.

Ранее, для определения площади сердечника применялась формула: S=1,3*√Pтр. Теперь же, зная площадь сечения магнитопровода, эту формулу можно преобразовать в другой вариант: Ртр = (S/1,3)/2. В обеих формулах число 1,3 является коэффициентом с усредненным значением.

Расчёт трансформатора по сечению сердечника

Конструкция трансформатора зависят от формы магнитопровода. Они бывают стержневыми, броневыми и тороидальными. В стержневых трансформаторах обмотки наматываются на стержни сердечника. В броневых – магнитопроводом только частично обхватываются обмотки. В тороидальных конструкциях выполняется равномерное распределение обмоток по магнитопроводу.

Для изготовления стержневых и броневых сердечников используются отдельные тонкие пластины из трансформаторной стали, изолированные между собой. Тороидальные магнитопроводы представляют собой намотанные рулоны из ленты, для изготовления которых также используется трансформаторная сталь.

Важнейшим параметром каждого сердечника считается площадь поперечного сечения, оказывающая большое влияние на мощность трансформатора. КПД стержневых трансформаторов значительно превышает такие же показатели у броневых устройств. Их обмотки лучше охлаждаются, оказывая влияние на допустимую плотность тока. Поэтому в качестве примера для расчетов рекомендуется рассматривать именно эту конструкцию.

В зависимости от параметров сердечника, определяется значение габаритной мощности трансформатора. Она должна превышать электрическую, поскольку возможности сердечника связаны именно с габаритной мощностью. Эта взаимная связь отражается и в расчетной формуле: Sо хSс = 100 хРг /(2,22 * Вс х j х f х kох kc). Здесь Sо и Sс являются соответственно площадями окна и поперечного сечения сердечника, Рг – значение габаритной мощности, Вс – показатель магнитной индукции в сердечнике, j – плотность тока в проводниках обмоток, f – частота переменного тока, kо и kc – коэффициенты заполнения окна и сердечника.

Как определить число витков обмотки трансформатора не разматывая катушку

При отсутствии данных о конкретной модели трансформатора, количество витков в обмотках определяется при помощи одной из функций мультиметра.

Мультиметр следует перевести в режим омметра. Затем определяются выводы всех имеющихся обмоток. Если между магнитопроводом и катушкой имеется зазор, то сверху всех обмоток наматывается дополнительная обмотка из тонкого провода. От количества витков будет зависеть точность результатов измерений.

Один щуп прибора подключается к концу основной обмотки, а другой щуп – к дополнительной обмотке. По очереди выполняются измерения всех обмоток. Та из них, у которой наибольшее сопротивление, считается первичной. Полученные данные позволяют выполнить расчет трансформатора и вместе с другими параметрами выбрать наиболее оптимальную конструкцию для конкретной электрической цепи.

Формула габаритной мощности трансформатора. Дроссели и магнитные усилители (стр. 1 из 2)

«Белорусский государственный университет

информатики и радиоэлектроники»

Кафедра защиты информации

Реферат

на тему:

«Формула габаритной мощности трансформатора. Дроссели и магнитные усилители«

Минск, 2009

1. Формула габаритной мощности трансформатора

Она связывает технические и эксплуатационные характеристики трансформатора (электрические) с параметрами, определяющими габариты его конструкции (площадь поперечного сечения стали сердечника (

), и площадью окна магнитопровода ( ).

Рисунок 1 — Трансформатор

— полная мощность трансформатора

=

(1) (2) — коэффициент заполнения сердечника сталью.

Если j[А/мм

] — плотность тока, тогда ток в первой обмотке и во второй: (3) (4) — коэффициент заполнения окна проводами (медью). =0,2..0,4 (плохо заполняет).

Формула габаритной мощности:

(5)

При проектировании трансформатора габариты сердечника являются искомыми. Поэтому формулу разрешают относительно искомых параметров, которые даны в виде произведения.

(6)

При учете потерь, обуславливающий реальный КПД=η, формула габаритной мощности приобретает следующий вид:

[ ] (7)

j=[А/

]; f=[Гц]; =[B*A]; =[Тесла]

Приведенная формула является центральной при проведении расчетов и конструировании трансформаторов. Расчет трансформаторов ведется методом последовательного приближения (инженерного).

Вначале задаются с использованием требований ТЗ (техническое задание) и справочных данных величинами, фигурирующими в правой части формулы и вычисляют ориентировочное значение произведения

.

По величине

, с учетом выбранного критерия оптимальности (min , minM(массы), minV(габаритов)). Выбираются из стандартных типовых размеров параметры магнитопровода.

Производится электрический расчет обмоток и тепловой расчет для трансформаторов в рабочем режиме. В случае необходимости производится перевыбор сердечника, и все расчеты осуществляются вновь для всех интересующих величин.

а) б)

в)

Рисунок 2 – Ориентировочные зависимости от мощности трансформатора: а) – плотности тока в обмотке; б) – максимального значения магнитной индукции; в) – КПД.

Нагрузочная характеристика и КПД трансформатора

Рисунок 3 – Эквивалентная схема вторичной обмотки

Рисунок 4 – Нагрузочная кривая трансформатора

Какую бы нагрузку мы не включали или как бы не изменяли, ток нам бы хотелось, чтобы напряжение

не изменялось и равнялось . Но этого не будет.

Анализ показывает, что с ростом потребляемого тока нагрузкой, напряжение на выходе трансформатора не остается неизменным из-за увеличивающегося падения напряжения на его внутреннем сопротивлении и при индуктивном характере нагрузки убывает, а при емкостном – возрастает.

При номинальном значении тока имеются отличия от ЭДС во вторичной обмотке. Нагрузочная характеристика (зависимость напряжения на выходе от потребляемого тока) является важной для любого источника.

При построении нагрузочной характеристики удобно пользоваться не абсолютными значениями тока и напряжения, а нормированными:

(8)

КПД трансформатора в рабочем режиме складывается из полезной мощности Р и

(9)

с – сталь

м – медь

КПД является функцией коэффициента нагрузки

( ) (10)

т.е. в разных режимах КПД разное. Причем функция

имеет экстремум:

Рисунок 5 – Зависимость КПД от коэффициента нагрузки

2. Дроссели. Магнитные усилители (МУ)

Дроссель представляет собой в основном обтекаемую переменным током катушку с ферромагнитным сердечником. Последний резко увеличивает магнитное поле. При одинаковых параметрах дроссель с ферромагнитным сердечником несравненно компактнее, чем катушка без сердечника. Подчеркнем, что при прочих равных условиях индуктивное сопротивление дросселя тем больше, чем лучше магнитные свойства ферромагнетика, т.е. чем больше его магнитная проницаемость.

Все характеристики дросселя обусловливаются свойствами его ферромагнитного сердечника. Вольтамперные характеристики при этом могут быть близкими к линейным, а могут быть и существенно нелинейными.

Рисунок 6 — Типичные конструкции однофазных дросселей открытого исполнения: а) — броневой с ленточным магнитопроводом; б) — стержневой с ленточными сердечниками и двумя катушками в) — тороидальный; г) — броневой с сердечником из штампованных пластин; д) — броневой с креплениями из пластмассы.

Особенности конструкции и работы дросселей в цепях электропитания

Во многих случаях дроссели используются как простые, сглаживающие L – фильтры на выходах выпрямительных устройств. Через дроссель протекает ток сердечника и может привести к насыщению.

Динамическая магнитная проницаемость магнитного материала сердечника уменьшается, индуктивность дросселя резко уменьшается, что приводит к уменьшению сопротивления переменному току.

Рисунок 6 – Зависимость величины магнитной индукции от тока

Рисунок 7 – Схема включения дросселя

Таким образом, желательно, чтобы подмагничивание не являлось излишне выраженным.

Для уменьшения подмагничивания в магнитном сердечнике дросселя вводится немагнитный зазор.

Рисунок 8 — Зависимость величины магнитной индукции от тока

Если ток подмагничивания равен 0, то индуктивность велика.

Рисунок 9

Введение немагнитного зазора позволяет уменьшить зависимость индуктивности дросселя от постоянного тока нагрузки и обеспечить одинаковую эффективность фильтрации при вариации нагрузки.

Если явление намагничивания сердечника в дросселях сглаживающих фильтров носит негативный характер, то в дросселе насыщения или МУ это явление используется и лежит в основе принципа действия таких устройств.

Проектирование дросселей ведется подобно проектированию трансформаторов, и используются формулы трансформаторной ЭДС.

Эквивалентная схема дросселя аналогична схеме трансформатора на ХХ.

Магнитные усилители (МУ)

магнетиков — Может ли трансформатор работать, если сердечник не круглый?

Сердечник не обязательно должен быть круглым, но он должен быть закрыт, иначе связанный поток будет очень низким.

Более того, тот факт, что труба пуста, не улучшает ситуацию, поскольку поток концентрируется там, где есть более высокая проницаемость, то есть в сердечнике, но чистое сечение сердечника в вашем случае невелико. Фактически большая часть секции змеевика заполнена воздухом, который имеет плохую проницаемость.

Нельзя замкнуть сердечник простой железной проволокой. Это не будет эффективным, поскольку поток будет ограничиваться меньшим сечением провода. Имейте в виду, что поток подчиняется своего рода «закону Ома для магнитных цепей», называемому законом Гопкинсона.

Роль сопротивления играет величина, известная как реактивное сопротивление , которое пропорционально чистому сечению сердечника, по которому течет поток. Поток аналогичен току. Поэтому крошечный участок сильно ограничит поток.Поскольку роль напряжения играет магнитодвижущая сила (MMF), которая зависит от тока в катушке, вы можете понять, что при том же токе в первичной обмотке и высоком сопротивлении из-за потока, ограниченного в небольшом участке проволоки, поток будет небольшим, и, следовательно, индуцированный ток во вторичной обмотке будет небольшим.

Если вы попытаетесь накачать больше тока в первичной обмотке, результатом будет насыщение сердечника (сильно нелинейный эффект), в результате чего его проницаемость резко упадет, и ваша попытка будет аннулирована.

Чтобы иметь достаточную связь между двумя катушками, вам понадобится замкнутая магнитная цепь с существенно низким сопротивлением. Поэтому вам нужен замкнутый путь из ферромагнитного материала с более или менее постоянным сечением, поскольку любое сужение сечения приведет к увеличению сопротивления.

РЕДАКТИРОВАТЬ (подсказано полезным комментарием @Asmyldof)

Хотя я объяснил выше, почему ваша установка неэффективна для силового трансформатора, и объяснение все еще остается в силе, есть несколько проблем, о которых следует помнить при работе с трансформатором.В этой интересной статье о трансформерах есть красивые картинки и более подробно рассматривается тема. Ниже я кратко остановлюсь на двух ключевых аспектах.

Как я уже сказал, для обеспечения высокой связи между первичной и вторичной обмотками вам потребуется низкое сопротивление и закрытый сердечник. Это требует твердого сердечника с замкнутым магнитным путем. По сравнению с вашей установкой это улучшит ситуацию, но имейте в виду, что использование ферромагнитного сердечника, который также является электропроводящим, как и железо, имеет свои недостатки.

Во-первых (и это действительно важно для силового трансформатора) это потери мощности в сердечнике. Если сердечник сделан из хорошо проводящего материала, в его поперечном сечении будут индуцироваться вихревые токи, что приведет к потере мощности из-за джоулева нагрева (как в резисторе). Это не единственный источник потерь в сердечнике, но для токопроводящих сердечников он обычно наиболее актуален. Поэтому, используя сплошной железный стержень в качестве сердечника трансформатора, вы рискуете потерять большую мощность, нагревая сам сердечник (поэтому сердечники из железа не сплошные, они все же «заполнены», а ламинированы, т.е.е. сделаны из многих слоев утеплителя).

Второй ключевой аспект — насыщенность. Если вы увеличите первичный ток до определенного предела, сердечник насыщается, и проницаемость упадет, следовательно, сопротивление возрастет. В этом случае полезно иметь сердцевину с не полностью замкнутым контуром. На самом деле, иногда сердечники строятся с небольшим воздушным зазором, то есть сердечник образует почти замкнутый контур, но не совсем. Небольшой воздушный зазор имеет гораздо большее сопротивление, чем остальная часть сердечника, следовательно, он увеличивает общее сопротивление сердечника + зазора, что кажется плохим, но преимущество состоит в том, что зазор помогает линеаризовать сердечник, т.е.е. ограничивает эффект насыщенности. Кроме того, зазор очень мал (скажем, о толщине листа бумаги), и это предотвращает рассеивание флюса в пространстве вокруг сердечника, следовательно, это не слишком сильно ухудшает общую связь.

Другие интересные ссылки про трансформаторы:

Трансформаторы Часть 1

Трансформаторы Часть 1
Вверх
Elliott Sound Products Руководство по трансформаторам для начинающих — часть 1
© 2001 — Род Эллиотт
Страница опубликована и обновлена ​​в ноябре 2018 г.
Указатель статей
Основной указатель

Содержание — Часть 1
Предисловие

Одна вещь, которая явно сбивает с толку многих, — это идея плотности потока внутри сердечника трансформатора.Хотя это более подробно рассматривается в Разделе 2, важно, чтобы информация этого раздела запоминалась на каждом этапе чтения этой статьи. Для любого силового трансформатора максимальная плотность магнитного потока в сердечнике достигается при простое трансформатора. Повторюсь, это очень важно …

Для любого силового трансформатора максимальная плотность потока достигается, когда трансформатор находится в режиме ожидания.

Идея противоречит интуиции, она даже почти не имеет смысла.Как бы то ни было, это факт, и его отсутствие разрушит ваше понимание трансформаторов. На холостом ходу обратная ЭДС трансформатора почти точно компенсирует приложенное напряжение. Протекающий небольшой ток поддерживает плотность потока на максимально допустимом значении и представляет потери в стали (см. Раздел 2). Поскольку ток отводится от вторичной обмотки, поток немного падает. Причина этого кроется в конечном сопротивлении обмотки и в законе Ома.

Неважно, что вы понимаете причины этого с самого начала, но — это , важно помнить, что для любого силового трансформатора максимальная плотность потока достигается, когда трансформатор находится в режиме ожидания .Пожалуйста, не забывай об этом.

В другом месте в сети вы найдете утверждения, что максимальная мощность, доступная от трансформатора, ограничена насыщением сердечника — это чушь, полная ложь и необходимо игнорировать , иначе
вы никогда не поймете трансформаторы должным образом!
Информация, представленная здесь, является точной и правильной, и любой, кто утверждает иное, неправильный! Это может показаться резким, но, тем не менее, это правда.

Еще нужно задуматься об индуктивности трансформатора. Принято считать, что трансформатор представляет собой индуктивную нагрузку, но … это верно только при отсутствии нагрузки или при очень небольшой нагрузке . Когда трансформатор нагружен до номинальной мощности резистивной нагрузкой, индуктивной составляющей можно пренебречь. Когда любой трансформатор подает что-либо от 5% до 100% от его полного тока нагрузки, индуктивная составляющая подавляется током нагрузки, и фазовый угол (Φ) между первичным напряжением и током минимален.Более подробно все это объясняется ниже.


‘Окружное течение’ (добавлено в июле 2020 г.)

Существует некоторая путаница из-за статьи в Википедии, в которой обсуждаются тороидальные трансформаторы (по состоянию на июль 2020 года). Почти все, что нужно знать, исключено, но есть продолжительная дискуссия о «окружном токе». Во-первых, я не отрицаю, что он существует, но я знаю из многолетнего опыта (наряду с множеством измерений), что это не имеет отношения к 99,9% пользователей.Мне кажется, что страница была взломана кем-то, кто либо хочет показать, насколько он умен, либо просто хочет продвинуть эту конкретную тему по неизвестным причинам.

Стоит отметить, что ссылки, представленные в статье Википедии, (в основном) бесполезны, и некоторые из них возвращают вас на страницу, где цитируется ссылка. Довольно много людей очень недовольны страницей, и один участник описал ее как «как руководство IBM; полное совершенно правильной, но совершенно бесполезной информации».

Все трансформаторы имеют некоторую «утечку» магнитного потока, и думать иначе… неразумно. Важно то, вызывает ли утечка флюса какие-либо проблемы с разумной компоновкой. Ответ на этот вопрос — «нет». Прокладка даже кабеля динамика через тороидальный трансформатор обычно вызывает «гудение» в динамике (из-за нелинейного тока намагничивания), но это не то, как люди подключают усилители. Точно так же следует избегать прокладки проводов постоянного тока поверх (или в непосредственной близости от) любого трансформатора .Утечка магнитного потока и / или окружной ток вызывают мало проблем для любого, кто понимает, что периферия любого трансформатора электрически враждебна. Единственное корректирующее действие, необходимое для тороидального трансформатора, — поддержание «безопасного» расстояния, которое обычно должно быть не более 25 мм. Если проводка находится на таком расстоянии (или более), помехи обычно незначительны.

Чтобы доказать (по крайней мере, самому себе), что я не ошибаюсь, я использовал тороидальный трансформатор на 300 ВА и исследовал его во всех направлениях с помощью одного петлевого детектора, усиленного в 1000 раз (да, 60 дБ).Я слушал результат через усилитель и динамик. Как и ожидалось, наибольший поток утечки наблюдается в местах выхода выводов, поскольку при выводе выводов из обмоток возникает разрыв. Петля зонда должна быть в пределах 10 мм или около того от обмоток, чтобы обнаружить что-либо существенное. Вставка петли зонда внутрь отверстия в середине трансформатора дала самые высокие показания, но это пространство всегда используется только для монтажного болта.

Я не показывал формы сигналов и амплитуду и не пытался измерить ток, который может возникнуть в контуре с низким сопротивлением.Я этого не делал по одной простой причине — нет точки . Мы, , знаем, что будет утечка магнитного потока и / или «окружной ток», но нам все равно. Это ничего не меняет, и мы все можем продолжать использовать тороидальные трансформаторы, как если бы этих вещей не существовало. Это может быть важно для некоторых коммутационных приложений, где сложно полностью окружить сердечник обмотками, и могут быть другие приложения, где это важно. Блоки питания аудио не затронуты!


Введение

Эта статья посвящена трансформаторам, используемым в типичных электронных проектах, источниках питания и т.п.Стандарт , а не , не распространяется на большие трансформаторы, используемые на подстанциях и в электросети в целом (кроме попутных), хотя обсуждаемые факторы также применимы к этим гораздо более крупным трансформаторам. В машиностроении трансформатор — одна из самых эффективных машин, которые есть в нашем распоряжении, но те, которые используются для распределения и промышленности, являются (большим) шагом вперед по сравнению с теми, с которыми мы обычно работаем.

Основы, которые позволяют нам использовать электромагнетизм, были открыты только в 1824 году, когда датский физик Ганс Эрстед обнаружил, что ток, протекающий по проводу, отклоняет стрелку компаса.Через несколько лет после этого было обнаружено, что движущееся магнитное поле индуцирует ток в проводе. От этой, казалось бы, базовой концепции, область электромагнетизма выросла до такой степени, что общество в том виде, в каком мы его знаем, не существовало бы без множества машин, использующих эти открытия.

Принципы магнитной индукции охватываются законом Фарадея, названным в честь Майкла Фарадея, британского ученого, который впервые количественно оценил вовлеченные процессы (1831 г.). Основные принципы были независимо открыты Джозефом Генри (в честь которого названа единица индуктивности) в 1832 году.«Закон индукции» Фарадея описывает способ, которым (нестатическое) магнитное поле индуцирует ток в проводе, и, наоборот, как ток в проводе создает магнитное поле. Трансформаторы основаны на принципе постоянно меняющегося магнитного поля (создаваемого первичной обмоткой), которое взаимодействует со вторичной обмоткой, генерируя переменное напряжение (и ток при нагрузке) во вторичной обмотке. Экспериментальные данные Фарадея были преобразованы в уравнения Джеймсом Клерком Максвеллом и добавлены и расширены Оливером Хевисайдом.Эмиль Ленц сформулировал концепцию «обратной ЭДС» (электродвижущей силы), где полярность тока в проводе (или обмотке) создает магнитное поле, которое противодействует магнитному полю, приложенному к обмотке (1834).

Все эти концепции важны, но, к счастью, полное понимание различных законов и формул не является необходимым для понимания того, как работает трансформатор. Я говорю «к счастью», потому что многие вычисления обширны и с ними трудно работать большинству нематематиков.Большинство из них даже не является обязательным при проектировании трансформаторов, тем более что существует множество практических правил, которые обычно применяются на этапе проектирования, что упрощает процесс.


Когда вы просматриваете эту статью, вас могут простить за восклицание: «Это для новичков? — этот человек сумасшедший. Я говорю вам, что сумасшедший!» Вероятно, это справедливый комментарий, но трансформаторы не просты, и нет простого способа предоставить всю информацию, которая вам нужна, чтобы правильно их понять.Здесь есть разделы, которые, вероятно, идут немного глубже, чем я изначально предполагал, но были слишком интересны, чтобы их не учитывать. Хотя это может не выглядеть так, информация здесь упрощена. Это не учебник по теории магнитного поля или глубокое обсуждение плотности потока и того, как она рассчитывается. Эти темы не являются обязательными для понимания того, как работает трансформатор или что с ним можно делать.

Есть части этой статьи, которые вы можете пропустить, но я предлагаю вам прочитать их полностью, если сможете.Полное понимание того, в какой степени вы можете спроектировать свой собственный трансформатор, не является целью, но большая часть информации, по крайней мере, интересна и расширит ваши общие знания в области электроники.

Для тех, кто хочет погрузиться глубже, Раздел 2 делает именно это. Рекомендуется к прочтению даже новичкам, поскольку о трансформаторах можно многое узнать, несмотря на их кажущуюся простоту.

Трансформаторы необходимы для всего современного электронного оборудования, и очень мало устройств, которые их не используют.Каждый тип трансформатора имеет определенное применение, и редко бывает, что трансформатор, предназначенный для одного применения, может использоваться для другой (совершенно другой) цели. Это не означает, что «переориентация» невозможна, но вы должны знать, что вы делаете, и какие риски могут вас поджидать, чтобы вызвать горе.

Прежде чем приступить к описанию различных типов, необходимо понять основную теорию. Все трансформаторы используют один и тот же основной принцип, и меняются только самые мелкие детали. Трансформатор работает по принципу магнитной связи для передачи энергии с одной стороны (обмотки) на другую.

Трансформаторы

двунаправленные и будут работать независимо от того, где подключен вход. Они могут работать не так хорошо, как в противном случае, но базовая функциональность не изменилась. Идеальный трансформатор не нагружает источник питания (питает первичную обмотку), если нет нагрузки на вторичную обмотку — в реальных компонентах есть потери, так что это не совсем так, но это предположение можно использовать в качестве основы для понимания.

Силовые трансформаторы указаны в вольт-амперах (ВА).Использование ваттов бесполезно, так как полностью реактивная нагрузка не рассеивает мощность, но все же есть вольты и амперы. Это продукт реального напряжения и тока, который важен — ваттметр может указывать на то, что в нагрузке мало или совсем нет реальной мощности, но трансформатор все еще подает напряжение и ток и нагревается из-за внутренних потери независимо от мощности.

Сердечники трансформатора имеют указанную проницаемость, которая является мерой того, насколько хорошо они «проводят» магнитное поле.Магнетизм будет придерживаться пути наименьшего сопротивления и останется в ядре с высокой проницаемостью с небольшой утечкой. Чем ниже проницаемость, тем больше утечка потока из активной зоны (это, конечно, грубое упрощение, но достаточно хорошо, чтобы дать начальное объяснение этого термина).

Трансформатор может быть изготовлен с использованием различных материалов в качестве сердечника (магнитного пути). К ним относятся …

  • Air — обеспечивает наименьшее сцепление, но идеально подходит для высоких частот (особенно RF).Проницаемость 1.
  • Железо — неправильное название, поскольку все трансформаторы с сердечником из железа являются стальными с различными добавками для улучшения магнитных свойств. Начальная проницаемость обычно около 500 и выше.
  • Порошковое железо — стальные магнитные частицы, сформированные в сердечник, скрепленные связующим веществом и обожженные при высокой температуре для создания керамический материал с очень хорошими свойствами на средних и высоких частотах (более 1 МГц). Особенно подходит для приложений, где есть значительная составляющая постоянного тока в обмотке или при очень большой мощности.Начальная проницаемость обычно составляет 40-90.
  • Феррит — магнитная керамика, обычно использующая экзотические магнитные материалы для получения чрезвычайно высокой проницаемости и отличных высоких частот. производительность (от 50 кГц до более 1 МГц). Для разных областей применения доступен удивительный диапазон различных составов. Начальная проницаемость примерно от 500 до 9000 и более.

Проницаемость указана выше как «начальная проницаемость» — фактическая проницаемость материалов керна, отличных от воздуха (записывается как µ i).Это параметр «слабого сигнала», и он почти всегда уменьшается при значительных уровнях магнитного потока. Фактические характеристики ( эффективная проницаемость µ e) зависят от материала и напряженности поля, и здесь это не рассматривается. См. Термины и определения (от Hitachi Metals), если вам нужны более полные объяснения.

Технически порошковое железо и ферриты классифицируются как мягкие (см. Ниже) ферриты, но они имеют очень разные характеристики, даже в пределах одного «семейства».Обычно они не подходят для работы на низких частотах, за исключением низких уровней. Ферриты часто используются в качестве трансформаторов сигналов (например, изолирующих трансформаторов для телекоммуникаций или других приложений с малыми сигналами), где высокая проницаемость делает их идеальным выбором для небольших размеров и высокой индуктивности.

Материалы сердечника обычно классифицируются как «мягкие» — это не имеет ничего общего с их физическими свойствами (все они от твердого до очень твердого), но указывает на их способность сохранять магнетизм (остаточную намагниченность).Магнитно-мягкий материал имеет низкую намагничиваемость и его трудно намагнитить. Твердые магнитные материалы используются для «постоянных» магнитов, и они обладают очень высокой остаточной намагниченностью, то есть сохраняют очень большую часть исходного магнитного поля, которое было наведено в них во время производства.

Во всех импульсных источниках питания используются ферритовые трансформаторы, поскольку обычные пластинки нельзя сделать достаточно тонкими, чтобы предотвратить огромные потери в сердечнике. Для любого основного материала существует множество ограничений.Для низкочастотных источников питания кремнистая сталь с ориентированной зеренной структурой (около 4% кремния) является наиболее распространенной, так как она имеет очень высокую магнитную индукцию до насыщения. Большинство других материалов уступают в этом отношении, что является одной из основных причин, по которой этот материал до сих пор так распространен. К специализированным материалам относятся MuMetal (он же µMetal, Mu-Metal и т. Д.) И Permalloy, и это материалы сердечника (и магнитного экранирования) с очень высокой проницаемостью.

Выше показан небольшой образец некоторых трансформаторов (не в масштабе).Тороидальные трансформаторы и трансформаторы E-I имеют одинаковую номинальную мощность, а также показан небольшой набор небольших трансформаторов и вставной блок (настенный трансформатор, стенная бородавка и т. Д.).


1. Магнетизм и индуктивности

Трансформатор состоит из двух (или более) катушек индуктивности, имеющих общий магнитный путь. Любые две катушки индуктивности, размещенные достаточно близко друг к другу, будут работать как трансформатор, и чем теснее они связаны магнитным полем, тем более эффективными они становятся.Вот почему пассивные кроссоверные сети громкоговорителей должны иметь индукторы, ориентированные по-разному, чтобы они не работали как трансформатор.

Когда изменяющееся магнитное поле находится вблизи катушки с проволокой (индуктора), в катушке индуцируется напряжение, соответствующее приложенному магнитному полю. Статическое магнитное поле не действует и не генерирует электрическую мощность. Те же принципы применимы к генераторам, генераторам переменного тока, электродвигателям и громкоговорителям, хотя это действительно была бы очень длинная статья, если бы я охватил все существующие устройства магнитного поля.

Когда электрический ток проходит через катушку с проволокой, создается магнитное поле — это работает с переменным или постоянным током, но с постоянным током магнитное поле, очевидно, статично. По этой причине трансформаторы не могут использоваться напрямую с постоянным током, потому что, хотя магнитное поле существует, оно должно быть , изменяя , чтобы индуцировать напряжение в другой катушке. Статическое магнитное поле не может производить выходное напряжение / ток.

Попробуйте этот эксперимент. Возьмите катушку с проводом (для этого подойдет кроссоверная катушка громкоговорителя) и магнит.Подключите мультиметр (желательно аналоговый) к катушке и установите диапазон на наиболее чувствительный диапазон тока на измерителе. По мере того, как вы перемещаете магнит к катушке или от нее, вы увидите ток, показанный отклонением стрелки измерителя. При повороте магнита в одну сторону сила тока будет положительной, а в другую — отрицательной. Чем выше индуктивность катушки и чем сильнее магнит (и / или чем ближе он к катушке), тем больше будет индуцированный ток.

Двигайте магнит медленно, и сила тока будет меньше, чем при быстром перемещении.Оставьте его неподвижным, и ток вообще не будет, независимо от того, насколько близко может быть магнит. Это принцип магнитной индукции, и он применим ко всем катушкам (действительно, ко всем кускам провода, хотя катушка усиливает эффект).

Если вы теперь возьмете пригоршню гвоздей и поместите их через центр катушки, вы увидите, что ток увеличился во много раз — магнитное поле теперь более сконцентрировано, потому что стальные гвозди образуют лучший магнитный путь (более высокая проницаемость) чем воздух.

Легкость, с которой любой материал может переносить магнитное поле, называется проницаемостью (или, точнее, начальной проницаемостью ), и разные материалы имеют разные проницаемости. Некоторые из них оптимизированы особым образом для конкретных требований — например, сердечники, используемые для трансформатора импульсного источника питания, сильно отличаются от сердечников, используемых для обычных сетевых трансформаторов 50/60 Гц.

Проницаемость сердечников трансформаторов сильно различается в зависимости от материала и применяемой обработки.Проницаемость воздуха равна 1, и большинство традиционных кернов имеют гораздо более высокую (т.е.> 1) проницаемость. Пара заметных исключений — это алюминий и латунь, которые иногда используются, чтобы уменьшить индуктивность катушек с воздушным сердечником в радиочастотной (RF) работе. Это гораздо реже, чем ферритовый сердечник, который увеличивает индуктивность и используется для настройки многих ВЧ трансформаторов.

Помимо проницаемости, магнитопроводы (за исключением воздуха) обладают максимальным магнитным потоком, с которым они могут работать без насыщения.В этом контексте насыщение означает то же самое, что и в большинстве других: когда полотенце пропитано, оно не может больше удерживать воду, а когда магнитный сердечник насыщен, он не может больше переносить магнитный поток. В этот момент магнитное поле больше не меняется, поэтому ток в обмотке не индуцируется.

Вероятно, вам не удастся пропитать ногти магнитом, так как между двумя полюсными наконечниками очень большой воздушный зазор. Это означает, что сердечник всегда сможет поддерживать магнитный поток, но эффективность также намного ниже, поскольку магнитная цепь разомкнута.Почти все трансформаторы, которые вы увидите, имеют полностью замкнутую магнитную цепь, чтобы гарантировать, что как можно большая часть наведенного в сердечник магнетизма пройдет через обмотку (и).

Есть некоторые случаи, когда крошечный воздушный зазор будет намеренно оставлен, и это делается обычно, когда трансформатор или катушка должны выдерживать значительную составляющую постоянного тока, а также переменного тока. Об этом вкратце рассказывается ниже, но больше по этому поводу во втором разделе статьи.


Рисунок 1.1 — Основные принципы работы трансформатора

На Рисунке 1.1 показаны основы всех трансформаторов. Катушка (первичная) подключена к источнику переменного напряжения — обычно это сеть для силовых трансформаторов. Поток, наведенный в сердечник, передается во вторичную обмотку, в обмотке индуцируется напряжение, и через нагрузку создается ток.

На схеме также показаны различные части трансформатора. Это простой трансформатор с двумя обмотками. Первичная обмотка (обозначенная как таковая при проектировании) будет индуцировать магнитное поле в сердечнике в соответствии с током, создаваемым приложенным напряжением переменного тока.Магнитное поле концентрируется сердечником, и почти все оно также проходит через обмотки вторичной обмотки, где индуцируется напряжение. Сердечник в этом случае типичен для конструкции трансформатора «C-Core», где первичная и вторичная обмотки иногда разделены. Более распространенным является «традиционный» тип E-I (ee-eye), который, хотя и несколько не в моде, в наши дни все еще широко используется. Это показано ниже.

Величина напряжения во вторичной обмотке определяется по очень простой формуле, которая определяет отношение витков (N) компонента — это традиционно рассчитывается путем деления витков вторичной обмотки на витки первичной обмотки…

1.1.1 N = Ц / Тп

Tp — это просто количество витков провода, составляющего первичную обмотку, а Ts — количество витков вторичной обмотки. Трансформатор с 500 витками на первичной обмотке и 50 витками на вторичной имеет отношение витков 1:10 (т.е. 1/10 или 0,1)

1.1.2 Vs = Vp × N

В большинстве случаев вы никогда не узнаете количество витков, но, конечно, мы можем просто перевернуть формулу, чтобы соотношение витков можно было вывести из первичного и вторичного напряжений…

1.1.3 N = Vs / Vp

Если напряжение 230 В (естественно, переменного тока) приложено к первичной обмотке, мы ожидаем 23 В на вторичной обмотке, и это действительно то, что будет измеряться. У трансформатора есть дополнительная полезная функция — «трансформируется» не только напряжение, но и ток.

1.1.4 Is = Ip / N

Если в приведенном выше примере из вторичной обмотки потребляется ток 10А, то логически в первичной обмотке будет измеряться ток 1А — напряжение снижается, но увеличивается ток.Это было бы так, если бы трансформатор был на 100% эффективен, но даже эта самая эффективная «машина», которая у нас есть, к сожалению, никогда не будет идеальной. В результате, при потреблении 10 А от вторичной обмотки напряжение будет меньше, чем 23 В, которые были у нас без нагрузки. Это мера регулирования трансформатора, и большая часть падения напряжения происходит из-за сопротивления обмотки.

При использовании больших трансформаторов для национальной энергосистемы, КПД трансформаторов обычно превышает 95%, а некоторых достигает 98% (или даже больше).

Меньшие трансформаторы всегда будут иметь более низкий КПД, но блоки, обычно используемые в усилителях мощности, могут иметь КПД до 90% для больших размеров. Причины потери мощности станут ясны (я надеюсь) по мере нашего продвижения. Пока что для простоты будем считать трансформатор «идеальным» (т.е. без потерь).


Рисунок 1.2 — Ламинирование E-I

Обычный набор для ламинирования E-I все еще широко используется, и стоит упомянуть несколько важных моментов.Центральная ножка всегда в два раза больше ширины внешних ножек для сохранения площади поперечного сечения. Точно так же ламинация «I» и «задняя часть» буквы E имеют такую ​​же ширину (или иногда немного больше) внешних ножек. Окно обмотки — это место, где живут медные обмотки, и в хорошо спроектированном трансформаторе оно будет почти полностью заполнено. Это максимизирует количество меди и снижает резистивные потери, поскольку обмотки имеют максимально возможную толщину.

См. Раздел 2, чтобы узнать, как определяются размеры пластин E и I.Это обычно называют ламинированием без царапин и практически исключает любые потери материала.


2. Терминология магнитного сердечника

Этот список далеко не полный, но его будет достаточно, чтобы вы начали или напугали. Я включил символы и единицы только трех записей ниже, так как большинство из них не представляют особого интереса.

Коэрцитивная сила — это напряженность поля, которая должна быть применена для уменьшения (или coerce ) остаточного потока до нуля.Материалы с высокой коэрцитивной силой (например, те, которые используются для постоянных магнитов) называются жесткими . Материалы с низкой коэрцитивной силой (используемые для трансформаторов) называются soft .

Эффективная площадь — сердечника — это площадь поперечного сечения центральной ветви для пластин E-I или общая площадь для тороида. Обычно это соответствует физическим размерам сердечника, но поскольку поток может распределяться неравномерно, производитель может указать значение, которое отражает это.

Эффективная длина — сердечника — это расстояние, которое магнитный поток проходит при замыкании цепи. Обычно это близко соответствует среднему физическому размеру сердечника, но поскольку поток имеет тенденцию концентрироваться на внутренних углах пути, производитель может указать значение эффективной длины.

Плотность потока — (символ; B, единица; тесла (Т)) — это просто общий поток, деленный на эффективную площадь магнитной цепи, через которую он течет.

Потоковая связь — в идеальном индукторе магнитный поток, создаваемый одним витком, содержался бы во всех других витках. Настоящие катушки приближаются к этому идеалу, когда другие размеры катушки малы по сравнению с ее диаметром или если подходящий сердечник направляет поток через обмотки.

Магнитодвижущая сила — MMF можно рассматривать как магнитный эквивалент электродвижущей силы. Это произведение тока, протекающего в катушке, и количества витков, составляющих катушку.

Напряженность магнитного поля — (обозначение: H, единица измерения; амперметры (A · м -1 )), когда ток течет в проводнике, он всегда сопровождается магнитным полем. Сила или интенсивность этого поля пропорциональна величине тока и обратно пропорциональна расстоянию от проводника (отсюда и надстрочный индекс -1).

Магнитный поток — (обозначение:; единица измерения: Веберс (Вб)) мы относимся к магнетизму в терминах силовых линий или магнитных линий, которые являются мерой общей величины магнетизма.

Проницаемость — (символ; µ, единицы: генри на метр (Hm -1 ) определяется как отношение плотности потока к напряженности поля и определяется типом материала в магнитном поле, т. Е. Сердечником Сам материал. Большинство ссылок на проницаемость на самом деле относятся к «относительной проницаемости», поскольку проницаемость почти всех материалов изменяется в зависимости от напряженности поля (и в большинстве случаев также от температуры).

Remanence — (или остаток) — это плотность магнитного потока, которая остается в магнитном материале, когда внешнее приложенное поле удаляется.Трансформаторы требуют минимально возможной намагниченности, в то время как постоянные магниты требуют высокого значения намагниченности.

Насыщенность — точка, в которой ядро ​​больше не может принимать больше потока. Когда это происходит, первичный ток трансформатора ограничивается только любым последовательным сопротивлением (например, внешним сопротивлением и сопротивлением обмотки). Насыщение сердечника ограничивает пиковое входное напряжение переменного тока для заданного числа витков первичной обмотки. Начало насыщения обычно довольно постепенное, но может быть очень резким для некоторых материалов с высокой проницаемостью.

Я упоминаю их здесь для полноты картины, но их реальная важность не обсуждается далее в этом разделе. В разделе 2 этой статьи снова рассматриваются термины, и их важность несколько увеличивается в контексте.


3. Как работает трансформатор

Идеальный трансформатор без нагрузки практически не потребляет ток из сети, поскольку это просто большая индуктивность. Весь принцип работы основан на индуцированном магнитном потоке, который не только создает напряжение (и ток) во вторичной обмотке, но также и в первичной! Именно эта характеристика позволяет любой катушке индуктивности функционировать должным образом, а напряжение, генерируемое в первичной обмотке, называется «обратной ЭДС» (электродвижущая сила).Величина этого напряжения такова, что она почти равна (и составляет , фактически, в той же фазе, что и) приложенной ЭДС.

Хотя для определения внутреннего генерируемого напряжения можно выполнить простой расчет, это бессмысленно, поскольку его нельзя изменить. Для синусоидальной формы волны ток через катушку индуктивности отстает от напряжения на 90 градусов. Поскольку наведенный ток отстает на 90 градусов, внутреннее генерируемое напряжение смещается на назад, на снова на 90 °, поэтому оно находится в фазе с входным напряжением.Для простоты представьте себе катушку индуктивности или трансформатор (без нагрузки) с приложенным напряжением 230 В. Чтобы эффективная обратная ЭДС сопротивлялась полному приложенному напряжению переменного тока (как и должно), фактическая величина наведенного напряжения (обратная ЭДС) составляет чуть менее 230 В. Выходное напряжение трансформатора всегда находится в фазе с приложенным напряжением (в пределах нескольких тысячных градуса).

Например … первичная обмотка трансформатора, работающая на входе 230 В, потребляет 15 мА из сети на холостом ходу и имеет сопротивление постоянному току 2 Ом.Обратной ЭДС должно быть достаточно, чтобы ограничить ток через сопротивление 2 Ом до 15 мА, поэтому будет достаточно близко к 229,97 В (30 мВ на 2 Ом составляет 15 мА). В реальных трансформаторах есть дополнительные сложности, которые увеличивают общий ток (в частности, потери в стали и / или частичное насыщение), но принцип не сильно изменился.

Если это слишком запутанно, не беспокойтесь об этом. Если вы не собираетесь посвятить свою карьеру проектированию трансформаторов, эта информация на самом деле мало полезна для вас, поскольку вы ограничены «реальными» характеристиками компонентов, которые вы покупаете — внутреннее устройство не имеет большого значения.Даже если вы посвятите свою жизнь дизайну трансформеров, эта информация по большей части останется просто любопытством, поскольку вы все еще мало что можете с этим поделать.

Когда вы подключаете нагрузку к выходной (вторичной) обмотке, через нагрузку проходит ток, который отражается через трансформатор на первичную обмотку. В результате первичная обмотка теперь должна потреблять больше тока из сети. Возможно, несколько интригующе то, что чем больше тока потребляется из вторичной обмотки, первоначальный сдвиг фазы тока на 90 ° становится все меньше и меньше по мере приближения трансформатора к полной мощности.Коэффициент мощности ненагруженного трансформатора очень низок, что означает, что, хотя есть вольты и амперы, но есть относительно небольшая мощность. Коэффициент мощности улучшается с увеличением нагрузки и при полной нагрузке будет близок к единице (идеал).

Однако это зависит от нагрузки — нелинейная нагрузка на вторичной обмотке трансформатора отражает нелинейную нагрузку на сеть.

Теперь можно рассмотреть еще один интересный факт о трансформаторах.

Мы будем использовать тот же пример, что и выше.Первичная обмотка 230 В потребляет 1 А, а вторичная обмотка 23 В обеспечивает нагрузку 10 А. Таким образом, согласно закону Ома, сопротивление нагрузки (импеданс) составляет 23/10 = 2,3 Ом. Полное сопротивление первичной обмотки должно составлять 230/1 = 230 Ом. Это соотношение 100: 1, а соотношение оборотов всего 10: 1 — что происходит?

Коэффициент импеданса трансформатора равен квадрату отношения витков …

3.1.1 Z = N²
Трансформаторы

обычно проектируются в зависимости от требуемой мощности, и это определяет размер сердечника для данного материала сердечника.Исходя из этого, можно определить необходимое число витков на вольт на основе максимальной плотности магнитного потока, которую может выдержать материал сердечника. Опять же, это сильно зависит от материалов сердечника.

Можно применить эмпирическое правило, согласно которому площадь сердечника для «стандартных» (если действительно существует) стальных пластин (в квадратных сантиметрах) равна квадратному корню из мощности. Таким образом, трансформатору на 625 ВА потребуется сердечник (как минимум) 25 кв. См, если предположить, что проницаемость сердечника составляет около 500, что довольно типично для стандартных пластин трансформатора.Это также предполагает, что материал сердечника не будет насыщаться с плотностью потока, необходимой для получения этой мощности.

Следующий шаг — вычислить количество витков на вольт первичной обмотки. Это зависит от частоты, но для трансформатора с частотой 50 Гц количество витков на вольт (приблизительно) составляет 45, деленное на площадь сердечника (в квадратных сантиметрах). Для трансформатора на 60 Гц требуется меньше витков, и число витков на вольт будет около 38 на площадь жилы. Материалы сердечника с более высокими рабочими характеристиками могут допускать более высокую плотность магнитного потока, поэтому возможно меньшее количество витков на вольт, что увеличивает общую эффективность и регулирование.Эти расчеты необходимо производить с осторожностью, иначе трансформатор будет перегреваться без нагрузки.

Для трансформатора 625 ВА вам потребуется около 432 витков для первичной обмотки 230 В, хотя на практике это может быть меньше этого значения. Кремнистые стали с ориентированной структурой, используемые в трансформаторах более высокого качества, часто допускают более высокий общий магнитный поток на единицу площади, и потребуется меньше витков.

Вы можете определить количество витков на вольт любого трансформатора (по причинам, которые станут яснее по мере дальнейшего развития), добавив ровно 10 витков тонкого «сигнального провода» или аналогичного изолированного провода к тестируемому трансформатору, намотанному поверх существующих обмоток.При питании от правильного номинального напряжения питания измерьте напряжение на созданной вами дополнительной обмотке. Разделите количество витков (10) на измеренное напряжение, чтобы получить число витков на вольт для этого трансформатора. Например, если вы измеряете 5 В, трансформатор имеет 2 витка / вольт.

Итак, какая вам польза от этого на земле? Что ж, вы можете быть удивлены тем, что вы можете сделать с этими знаниями. Предположим на мгновение, что у вас есть трансформатор для усилителя мощности приличного размера. Вторичное напряжение составляет 35-0-35 В, что слишком велико для питания цепи предусилителя или даже его источника питания, но вы сможете сделать это с помощью одной обмотки 16 В.Обычно используется другой трансформатор, но вы также можете добавить дополнительную обмотку самостоятельно. Это почти слишком просто с тороидальными трансформаторами, но с другими может быть вообще невозможно. Если трансформатор использует (скажем) 2 витка на вольт, всего 32 дополнительных витка провода звонка (или эмалированного медного провода) обеспечат 16 В при типичных 100 мА или около того, которые вам понадобятся. Добавьте 10% запаса, и у вас останется только 36 витков, и это можно будет сделать за несколько минут. Убедитесь, что дополнительная обмотка надежно закреплена лентой хорошего качества (настоятельно рекомендуется использовать каптон, если вы можете его достать).Не используйте , а не , используйте обычную электротехническую ленту — она ​​не рассчитана на температуру, при которой трансформаторы могут работать при постоянной нагрузке.

ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что нет никакой возможности дополнительного короткого замыкания обмотки между витками — это вызовет эффектный выход дыма из изоляции, и вы можете повредить сам трансформатор.


3.1 Насыщение ядра

Ток намагничивания, указанный или измеренный для любого трансформатора, обычно представляет собой комбинацию истинного тока намагничивания (который обычно очень низкий) и тока насыщения, который может составлять до половины расчетного тока полной нагрузки для небольших трансформаторов.Любой трансформатор с сердечником (кремнистая сталь, феррит и т. Д.) Перейдет в насыщение, если первичное напряжение холостого хода будет увеличено достаточно сильно. Это более подробно рассматривается в Части 2, Разделе 12.1.

Насыщение сердечника достигается, когда пиковое входное напряжение является достаточным для достижения сердечником максимального номинального магнитного потока. Когда плотность потока слишком высока, сердечник больше не может принимать больше и насыщается. Форма волны насыщения показана в Разделе 2, и хотя вы можете увидеть указанный «ток намагничивания» трансформатора, это почти всегда первичный ток холостого хода, включая ток насыщения .

Нереалистично ожидать, что какой-либо сетевой трансформатор останется значительно ниже насыщения на всех рабочих уровнях. Это потребовало бы, чтобы ядро ​​было намного больше и дороже, чем обычно. Когда плотность потока сердечника превышает примерно 1,4 Тесла (кремнистая сталь), он начинает насыщаться. Как только сердечник полностью насыщен , он больше не существует, и ток ограничивается только сопротивлением цепи. Это недопустимо, но частичное насыщение на холостом ходу является обычным явлением, и это увеличивает кажущийся ток намагничивания.

Для трансформаторов, используемых в аудиосистеме (выходные трансформаторы вентилей, микрофонные или «линейные» трансформаторы и т. Д.), Сердечник должен работать при всех возможных напряжениях и частотах значительно ниже насыщения, чтобы предотвратить серьезные искажения. Для силовых трансформаторов характерно небольшое насыщение без нагрузки. Хотя это увеличивает ток холостого хода (и температуру) трансформатора, это также позволяет немного лучше регулировать, поскольку используется меньше витков, что снижает сопротивление обмотки.

Насыщение — сложный процесс, который не совсем понятен большинству любителей (и даже некоторым профессионалам).Степень допустимой насыщенности зависит от предполагаемого использования и допустимого искажения. При уменьшении частоты трансформатор будет больше насыщаться, если входное напряжение остается неизменным. Например, силовой трансформатор, рассчитанный на работу с частотой 60 Гц, обычно сильно насыщается на частоте 50 Гц, даже если напряжение правильное. Нормальная работа может быть восстановлена ​​только в том случае, если входное напряжение уменьшается в том же соотношении, что и частота — от 60 Гц до 50 Гц составляет 17%, поэтому входное напряжение также должно быть уменьшено на 17%, чтобы получить расчетный ток «намагничивания».


4. Интересные факты о трансформаторах

Как обсуждалось выше, отношение импеданса — это квадрат отношения витков, но это только одна из многих интересных особенностей трансформаторов … (ну, Я, , в любом случае думаю, что они интересны).

Например, можно подумать, что увеличение числа витков приведет к увеличению плотности потока, поскольку больше витков вносят вклад в магнитное поле. На самом деле, верно обратное, и при том же входном напряжении увеличение числа витков приведет к уменьшению плотности потока и наоборот.Это нелогично, пока вы не поймете, что увеличение числа витков увеличивает индуктивность и, следовательно, уменьшает ток через обмотку.

Я уже упоминал, что коэффициент мощности (и фазовый сдвиг) изменяется в зависимости от нагрузки, и это (хотя и довольно интересно) не имеет для большинства из нас никаких реальных последствий.

Когда мы потребляем ток от вторичной обмотки, возникает очень интересное явление. Поскольку первичный ток увеличивается для питания нагрузки, мы ожидаем, что магнитный поток в сердечнике также увеличится (больше ампер, то же количество витков, больше потока).На самом деле плотность потока уменьшается! В идеальном трансформаторе без потерь в меди магнитный поток останется прежним — дополнительный ток питает только вторичную обмотку. В реальном трансформаторе при увеличении тока потери пропорционально увеличиваются, и первичное напряжение немного меньше (из-за сопротивления меди), поэтому магнитный поток при полной нагрузке на ниже , чем при отсутствии нагрузки. Об этом стоит немного пошуметь, так как это широко неправильно понимается. Хотя это уже было указано в начале, это настолько важно, что я повторю это еще раз…

Плотность магнитного потока в трансформаторе максимальна на холостом ходу, и уменьшается, уменьшается с увеличением нагрузки.

Когда вы испытываете трансформатор без нагрузки, первичный ток возникает исключительно из-за тока намагничивания и дополнительного тока, вызванного частичным насыщением (почти все сетевые трансформаторы покажут некоторые свидетельства тока насыщения — см. Часть 2, Раздел 12.1). Предположим, что трансформатор работает от 230 В на первичной обмотке и имеет сопротивление первичной обмотки 10 Ом.Если мы теперь подключим нагрузку к вторичной обмотке, которая вызывает повышение первичного тока до 1 А, эффективное первичное напряжение уменьшится на 10 В (10 Ом × 1 А), поэтому оно упадет до 220 В. Плотность потока уменьшается пропорционально, и при более низком значении эффективного напряжения плотность потока должна быть ниже , когда ток отводится от вторичной обмотки.

Плотность потока от вторичной обмотки не имеет никакого эффекта, потому что любой дополнительный поток, создаваемый током нагрузки, равен, но противоположен потоку, вызванному первичным током, потому что направление тока противоположно (правило правой руки Флеминга).Это (IMO) «периферийная» тема, и она объясняет, почему вторичный ток не увеличивает плотность потока. Настоящая причина того, что плотность потока падает на , полностью связана с сопротивлением обмотки. Трансформатор, использующий «сверхпроводники» (нулевое сопротивление) для первичной и вторичной обмоток, будет поддерживать одинаковый магнитный поток независимо от тока нагрузки.


4,1 Индуктивность

Также важно понимать еще один интересный факт о сетевых трансформаторах . Мы склонны полагать, что индуктивность важна — в конце концов, это то, что мешает трансформатору потреблять 10 А или более из сети на холостом ходу.На самом деле индуктивность обычно не является параметром конструкции, а просто результатом правильного расчета числа витков на вольт. Индуктивность также является туманной цифрой, и ее значение составляет , а не константа, но изменяется (или, по крайней мере, кажется, что меняется) в зависимости от условий. Когда у вас есть нужное количество витков первичной обмотки, индуктивность в значительной степени заботится о себе. Быстрый расчет продемонстрирует, что я имею в виду.

Предположим, тороидальный трансформатор на 600 ВА с измеренной индуктивностью 52 Гн при 50 Гц.Формула для индуктивности говорит нам, что ток намагничивания будет …

I mag = В / (2 × π × f × L)
I mag = 230 / (2 × π × 50 × 52) = 14 мА

Однако, когда этот трансформатор испытывается (см. Часть 2 — Ток намагничивания), фактически измеренный ток намагничивания составляет 42 мА — в 3 раза выше ожидаемого. Это происходит потому, что сердечник частично насыщен, а не , а не , потому что индуктивность ниже измеренной или рассчитанной.При работе при (намного) более низком напряжении, когда ток намагничивания не искажается (что означает, что нет насыщения сердечника вообще), ток намагничивания подчиняется формуле, показанной выше. Без насыщения сердечника ток определяется индуктивностью, напряжением и частотой, как и в любой катушке индуктивности. Однако трансформаторы (большинство) не являются индукторами как таковые !

Примечание: Для многих других трансформаторов индуктивность — это конструктивный параметр (и важный).Это относится к трансформаторам, используемым в импульсных источниках питания, или к аудио трансформаторам и другим, где критична низкочастотная характеристика. Это только с трансформаторами частоты сети (50 или 60 Гц), где нас действительно не заботит индуктивность, при условии, что ток намагничивания является ощутимым. «Разумность» определяется тем, как и где используется трансмиссия, и чего хотел достичь дизайнер. Здесь нет никаких «правил» — если он работает, как требуется (и согласно проектной спецификации), остается при приемлемой температуре, надежен и безопасен, то это все, что имеет значение.

Вот почему производители редко (если вообще когда-либо) указывают индуктивность трансформаторов сетевой частоты. Вместо этого (и если вам повезет), они могут сказать вам ток намагничивания без нагрузки при номинальном напряжении и частоте. Большинство даже не удосуживаются сказать вам об этом. В конце концов, вы все равно ничего не можете с этим поделать.

В предисловии я упомянул, что трансформатор не является индуктивным при работе с номинальной нагрузкой. Если мы представим тот же самый трансформатор, описанный выше (52H индуктивности), он будет потреблять 14 мА индуктивного тока на холостом ходу (без учета насыщения).Ток будет отставать от напряжения на 90 °, а коэффициент мощности, определяемый cos (Φ), равен cos (90) = 0. Если вторичная нагрузка нагружена так, что первичный ток нагрузки составляет всего 14 мА (общий ток теперь составляет 20 мА). , , а не 28 мА, как вы могли предположить), фазовый угол падает до 45 °, а коэффициент мощности увеличивается до cos (45) = 0,707 — при токе нагрузки всего 14 мА !

Когда нагрузка такова, что первичный ток составляет около 5% или более номинального значения трансформатора (около 130 мА для трансформатора на 600 ВА), фазовый сдвиг составляет всего несколько градусов (около 5.6 °), а коэффициент мощности близок к единице (0,995 для обсуждаемого гипотетического трансформатора). Однако (и это важно) первичный ток является почти идеальным воспроизведением вторичного тока, и если вторичный ток нелинейный, первичный ток также является нелинейным. Выпрямительные и конденсаторные нагрузки, которые используются почти во всех линейных источниках питания, имеют низкий коэффициент мощности, но это связано с нелинейностью , а не с индуктивностью .

Итак, для обычных сетевых трансформаторов индуктивность не является частью спецификации и может считаться «случайной».Он должен существовать, чтобы ограничить ток холостого хода до разумного значения, но большая часть тока намагничивания возникает из-за частичного насыщения. Большинство сетевых трансформаторов необходимо испытывать при напряжении значительно ниже заданного входного напряжения сети, чтобы можно было измерить индуктивность. Типичный трансформатор 230 В должен быть измерен при напряжении не более 50-100 В, чтобы получить фактическую индуктивность.

Измерив индуктивность первичной обмотки, вы быстро обнаруживаете, что эти данные бесполезны — вы ничего не можете с ними поделать, и это не поможет вам понять ни на йоту.Отчасти это связано с тем простым фактом, что он меняется. Поскольку плотность потока внутри сердечника изменяется, также изменяется и измеренная индуктивность, так что это действительно бессмысленный параметр в более широкой схеме вещей. Трансформаторы предназначены для получения требуемых напряжения и тока на вторичной обмотке, а процесс проектирования основан на количестве витков первичной обмотки, необходимых для получения ощутимого тока холостого хода («намагничивания»).

Это в значительной степени балансирующее действие. Для данного размера сердечника более высокий ток намагничивания является результатом использования меньшего количества витков на первичной обмотке, и это улучшает регулирование, поскольку провод может быть больше.Однако, если ток холостого хода слишком высок, трансформатор будет перегреваться из-за насыщения сердечника из-за высокого первичного тока. Трансформатор , который никогда не работает без нагрузки , может быть спроектирован таким образом, чтобы он был намного меньше, чем в противном случае.

Если мы предположим, что трансформатор для конкретного применения должен обеспечивать хорошее регулирование и что он всегда работает только при полной нагрузке, нет причин делать сердечник настолько большим, насколько это было бы необходимо в противном случае. Мы также можем использовать меньше витков и уменьшить резистивные потери.Современные трансформаторы для микроволновых печей попадают в эту категорию — если они работают без нагрузки, ток намагничивания может быть настолько высоким, что трансформатор может перегреться и выйти из строя, но при нормальной работе (питание магнетрона) они идеально подходят для этой работы. Большинство из них также охлаждаются вентилятором, что позволяет им быть еще меньше!

Когда трансформатор работает только с полной нагрузкой, ток намагничивания больше не является важным фактором, и количество необходимых витков основывается на эффективном напряжении на обмотке при полной нагрузке.Трансформатор мощностью 1 кВт обычно может иметь сопротивление первичной обмотки от 1,0 до 1,2 Ом, но если его можно уменьшить, потери в меди также уменьшатся. При 1 кВт первичный ток составляет 4,35 А, и это снизит напряжение, воспринимаемое трансформатором, возможно, на 5–6 В RMS. Вместо того, чтобы разрабатывать трансформатор для приятного низкого тока намагничивания при 230 В, он может быть рассчитан на несколько более высокий ток намагничивания при 225 В — один только ток намагничивания может составлять 1 или 2 А, а может быть и больше.

Попытка измерить индуктивность такого трансформатора — пустая трата времени.Вы сможете измерить это, но чтение не имеет значения. Даже более обычные сетевые трансформаторы находятся в той же лодке — индуктивность (возможно, с натяжкой) можно считать « показателем качества », но единственное, что действительно имеет значение, — это общий ток намагничивания, включая эффекты частичного насыщения. Не думайте ни на минуту, что обычные сетевые трансформаторы не насыщаются — каждый трансформатор, который я когда-либо измерял, потребляет в 2-5 раз больше тока, чем вы ожидаете, исходя только из одной индуктивности.Конечно, при нормальном рабочем напряжении они неразделимы.

Коэффициент индуктивности любого трансформатора (между первичной и вторичной обмотками) равен квадрату передаточного числа витков. Трансформатор, рассчитанный на сеть 230 В с измеренным выходным напряжением 23 В без нагрузки (полная нагрузка 20 В), имеет коэффициент трансформации 10: 1 (230: 23). Если вы измеряете индуктивность первичной обмотки (скажем) 30 Гн, вторичная индуктивность составляет 300 мГн. Это тоже бесполезно, но может пригодиться, если вы хотите использовать трансформатор в обратном направлении, например, с генератором и усилителем мощности.


4,2 Взаимная индуктивность

Одна из вещей, которая имеет тенденцию вызывать путаницу, связана с тем, как трансформатор «знает», что кто-то пытается получить ток из вторичной обмотки, поэтому первичный ток может быть увеличен пропорционально. Это происходит из-за взаимной индуктивности (также известной как взаимная связь или просто коэффициент связи) между обмотками. Когда две или более обмоток используют одну и ту же магнитную цепь, они связаны магнитным потоком. В идеальном трансформаторе эта связь равна единице, что означает, что любое возмущение на одной обмотке напрямую связано с другой (конечно, с учетом коэффициента трансформации).

Если связь равна единице, обмотки действуют как единое целое. Электрическое разделение (изоляция) не имеет значения, поэтому попытка отвода тока из вторичной обмотки ничем не отличается от отвода тока от первичной — две обмотки соединены вместе и неразделимы. Конечно, настоящие трансформаторы не идеальны, но (что может удивить) это лишь немного меняет ситуацию. Это ключ к работе трансформатора, но (несмотря на его большое значение) он мало влияет на конструкцию трансформатора.Это также то, что вы не можете изменить — трансформатор такой, какой он есть, а параметры можно изменить только во время разработки.

Индуктивность утечки уменьшает взаимную индуктивность, предотвращая единичную связь. Однако в преобразователях частоты это практически ничего не меняет. Даже «обычные» трансформаторы (с ламинированием E-I) имеют сравнительно низкую индуктивность рассеяния (по сравнению с индуктивностью первичной обмотки), а тороидальные трансформаторы имеют очень низкую индуктивность рассеяния . Любой поток, который «утекает» из сердечника, не может проходить через две обмотки одинаково, что снижает эффективный поток во вторичной обмотке и уменьшает связь между ними.

Связь такова, что если вы управляете сетевым трансформатором от генератора сигналов с низким импедансом, все, что находится на вторичной обмотке, отражается обратно к первичной. Если нагрузка представляет собой конденсатор, первичная обмотка будет казаться емкостной (опережающий коэффициент мощности). Когда нагрузка представляет собой резистор, первичная обмотка кажется резистивной. Первичная обмотка будет индуктивной только , если нагрузка — индуктор. Для проведения этого теста (что нетрудно сделать) ток, потребляемый от вторичной обмотки, должен быть как минимум в 10 раз (а предпочтительно в 100 раз) больше, чем ток намагничивания (ток холостого хода из-за индуктивности первичной обмотки трансформатора.

Например, если трансформатор имеет индуктивность первичной обмотки (при низком напряжении) 100 Гн, ток намагничивания будет около 390 мкА при 50 Гц. Вам необходимо потреблять не менее 39 мА от вторичной обмотки, и этого достаточно, чтобы напряжение и ток в первичной обмотке находились в пределах менее одного градуса друг от друга. Если вы теперь подключите конденсатор, который потребляет такой же ток (это необходимо рассчитать на основе напряжения и частоты), первичная обмотка окажется полностью емкостной.

Это аспект взаимной связи, который редко объясняется, но понимание этой простой концепции означает, что вы можете избежать целой кучи довольно утомительной математики, которая на самом деле не поможет вам понять задействованные принципы.Как знают постоянные читатели, я не буду приводить подробных формул, если они никому не помогут понять, как что-то работает. Это показательный пример. Использование формулы почти ничего не покажет, но если вы запустите тест самостоятельно, вы, , поймете, как это работает.


4,3 Импеданс

Трансформатор не имеет определенного импеданса. Вы можете извиниться за то, что думаете иначе, но это потому, что некоторые трансформаторы предназначены для выходных каскадов ламповых усилителей или для номинальных сигнальных линий 600 Ом (например).Для выходного трансформатора отношения импеданса определяются для соответствия анодному сопротивлению / импедансу конкретных выходных клапанов и преобразуются в импеданс, подходящий для громкоговорителя. В этой роли важна индуктивность первичной обмотки , поскольку она должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить хорошее соединение между лампами и динамиками на самой низкой интересующей частоте.

Это кратко рассматривается в этом разделе и более подробно рассматривается в разделе 2.Хотя индуктивность важна, еще более важно обеспечить, чтобы сердечник оставался вдали от даже частичного насыщения на самых низких частотах. Вот почему хорошие выходные трансформаторы такие большие и дорогие. Однако важно понимать, что, хотя трансформатор разработан и рекламируется как (например) 6 кОм P-P: 8 Ом, это не означает, что сам трансформатор имеет такие импедансы. Что означает , так это то, что при питании от источника 6 кОм (пара выходных клапанов) выходное сопротивление будет таким, что максимальная мощность будет подаваться на нагрузку 8 Ом.

Точно такой же трансформатор может питаться от источника 3 кОм и выдавать максимальную мощность на нагрузку 4 Ом. Он также работает с более высоким импедансом источника, но тогда индуктивность может быть недостаточно большой для обеспечения хорошего воспроизведения низких частот. Требуемая индуктивность определяется импедансом источника и наименьшей интересующей частотой — обычно 40 Гц для многих ламповых усилителей. Итак, используя приведенный пример, можно определить индуктивность и частоту -3 дБ …

L = Z / (2 × π × f -3 дБ ) (где Z — импеданс источника, а f -3 дБ — частота -3 дБ)
L = 6k / (2 × π × 40) = 24H

Как должно быть очевидно, по мере увеличения импеданса источника требуется большая индуктивность для той же частоты -3 дБ.Это также требует, чтобы поток в сердечнике оставался значительно ниже насыщения. Даже небольшая насыщенность вызывает грубые искажения. Некоторые утверждают, что это искажение не так нежелательно, как можно было бы представить, потому что оно спадает с увеличением частоты. Однако, если низкая и высокая частота передаются одновременно, более высокая частота также будет искажена — как только ядро ​​начинает насыщаться, все частоты , присутствующие в данный момент, искажаются, а не только частота, вызывающая насыщение.


5. Примеры использования трансформатора

Это лишь краткое описание множества применений трансформаторов. В этом разделе я отказался от источников питания с переключаемым режимом и представлю только наиболее распространенные линейные приложения. Применение источников питания более полно рассматривается в Разделе 2, а также в статье о проектировании линейных источников питания.

Было бы невозможно охватить все аспекты трансформаторов и их использования, поскольку они очень разнообразны и используются во многих разных вещах.Компьютерные сетевые карты, модемы, усилители мощности и микроволновые печи, автомобильные и морские системы зажигания, катушки Тесла и фонокорректоры с подвижной катушкой, распределение мощности от электростанции до вашего дома … это очень маленькая выборка разнообразие скромного трансформера (ну, может, не так уж и скромно).


5.1 — Выходной каскад двухтактного клапана

Трансформаторы используются не только в источниках питания, но и в других областях.Почти все ламповые усилители мощности используют трансформатор для выходного каскада, который преобразует высокий импеданс анодов в импеданс громкоговорителя, а также обеспечивает подачу напряжения на выходные клапаны. Здесь не было показано никаких смещений или других компонентов поддержки — для получения дополнительной информации см. Как работают усилители. Еще одна ссылка на ступени клапана находится в разделе «Клапаны».


Рисунок 5.1 — Выходной каскад двухтактного клапана

Рисунок 5.1 показывает, как это работает. Работа первичной обмотки может поначалу вас удивить, но это вполне соответствует всей теории. Показанное напряжение питания составляет 500 В, и мы предполагаем, что клапан может включаться достаточно сильно, чтобы уменьшить его до нуля поочередно на каждом конце обмотки. В действительности это не так, потому что клапаны не имеют достаточно низкого внутреннего импеданса, но это упрощает объяснение.

Ни один из клапанов не будет потреблять значительный ток без сигнала, и потребляемая величина не намагничивает сердечник.Причина проста — через каждую секцию первичной обмотки проходит равный ток, но в противоположных направлениях. Магнитное поле, создаваемое одной половиной обмотки, компенсируется магнитным полем второй половины, оставляя чистый установившийся магнитный поток равным нулю.

Когда клапан V1 полностью включается, напряжение на его конце обмотки уменьшается до нуля, а напряжение на аноде V2 составляет 1000 вольт. Так должно быть, иначе теория трансформаторов развалилась.Первичная обмотка работает как «автотрансформатор». Аналогичным образом, когда V1 выключается, а V2 включается, ситуация меняется на противоположную. Вы вполне можете спросить, зачем вообще нужны 2 клапана? Казалось бы, напряжение от одного клапана вполне способно качнуть напряжение из одной крайности в другую.

Это не так. Поскольку клапан может только включаться, он сможет подавать ток только на половину формы волны. В двухтактной конструкции класса A каждый клапан обычно пропускает 1/2 максимального пикового тока, необходимого на холостом ходу, и полный пиковый ток при включении на максимум до искажения (другой клапан выключен).В случае двухтактной конструкции насыщение сердечника отсутствует из-за постоянного тока (который, как и раньше, компенсируется), поэтому, хотя необходимы два клапана, трансформатор будет меньше и будет иметь гораздо лучшие характеристики. Для несимметричных усилителей класса A требуется очень большой сердечник с воздушным зазором для предотвращения насыщения. Это резко снижает производительность трансформатора, увеличивает искажения и ухудшает низкочастотную характеристику из-за более низкой индуктивности. Также могут отрицательно сказаться высокие частоты, потому что воздушный зазор заставляет часть магнитного потока «просачиваться» из сердечника.Это одна из причин возникновения индуктивности рассеяния (более подробно рассматривается в разделе 2).

Стоит отметить, что эффективный размах размаха по всей первичной обмотке трансформатора составляет 2000 В. Когда V1 полностью включен, он имеет нулевое напряжение (только для нашего примера) на пластине, а V2 имеет напряжение на пластине 1000 В. V1 и V2 имеют одинаковые пики напряжения, но сдвинуты по фазе на 180 градусов. Таким образом, полное напряжение на трансформаторе является суммой двух напряжений. С точки зрения переменного тока линию питания B + можно рассматривать как нулевое напряжение (помните, что она будет шунтироваться с большой емкостью).

Среднеквадратичное значение напряжения (с учетом синусоиды и игнорирования потерь) легко вычисляется по стандартной формуле …

5.1.1 Вп = Вп-пик / 2

Чтобы получить пиковое значение от пика к пику, затем …

5.1.2 Vrms = Vp / √2

Чтобы найти среднеквадратичное значение.

В этом случае размах напряжения составляет 2000 В, поэтому от пика до 1000 В. Среднеквадратичное значение составляет 707 В.


5.2 Выход на несимметричный триод (SET)

Рисунок 5.2 показана базовая компоновка выходного каскада усилителя SET. Полный постоянный ток должен протекать через первичную обмотку трансформатора, и, как обсуждалось выше, в сердечнике должен быть воздушный зазор, чтобы предотвратить насыщение. Поскольку воздушный зазор снижает эффективность магнитного пути, сердечник должен быть значительно больше, чем в противном случае.


Рисунок 5.2 — Выходной каскад на несимметричном триоде

Сердечник работает только с одной полярностью потока, которая меняется в зависимости от сигнала.Можно подумать, что только это уменьшит искажения, поскольку поток никогда не пересекает нулевую точку, но это не так. По-прежнему необходимо, чтобы поток изменял направление, и характеристики магнитных материалов указывают на то, что сопротивление изменению (а не абсолютная полярность магнитного поля) является доминирующим фактором. Клапан (и первичная обмотка трансформатора) теперь должны пропускать ток, равный пиковому переменному току, требуемому нагрузкой — конечно, в зависимости от коэффициента трансформации.

Максимальное отрицательное колебание (клапан включен) удвоит этот ток и снизится почти до нуля при выключении клапана (положительное колебание). Когда ток уменьшается ниже среднего постоянного (покоящегося) тока, напряжение на трансформаторе увеличивается в противоположной полярности — отсюда и тот факт, что напряжение на пластине превышает напряжение питания. Это одна из областей, где трансформатор на самом деле является индуктором , а работа схемы зависит от накопленного «заряда» индуктора.Вторичная обмотка просто передает напряжение на нагрузку.

Для той же выходной мощности клапан в несимметричной цепи должен быть значительно больше, чем требуется для двухтактной схемы, из-за более высокого рассеяния, необходимого для дополнительного тока. Есть также много других проблем с этой схемой — в частности, высокие искажения и сравнительно высокий выходной импеданс.

Не менее важная проблема заключается в том, что преимущество дополнительного размаха напряжения при использовании трансформатора с центральным ответвлением теперь утрачено, поэтому максимальное эффективное среднеквадратичное напряжение, которое может быть разработано, составляет 353 В — значительное падение первичного переменного напряжения (опять же без учета потерь, это ровно половина).Это означает, что нагрузка клапана выше при том же импедансе динамика, потому что коэффициент трансформации меньше, поэтому мы снова получаем меньшую мощность.

Постоянные читатели знают, что я считаю «НАБОР» мерзостью. Заявленные преимущества в основном видны (или ухом) смотрящего и не выдерживают ни малейшей проверки.


5.3 Приложения линейного уровня Трансформаторы

также используются для «линейных» приложений с низким энергопотреблением, как правило, для симметричных микрофонных входов и линейных выходных каскадов.Трансформатор не имеет себе равных для реальных симметричных схем, поскольку вход или выход действительно плавающий и не требует заземления. Это означает, что синфазные сигналы (то есть любой сигнал, общий для обоих сигнальных проводов) почти полностью отклоняются.

На рисунке 5.3 показан симметричный вход трансформатора, преобразующийся в несимметричный. Сигнал усиливается и снова отправляется на выходной трансформатор для распределения в виде сбалансированного сигнала. «Усилитель», как правило, представляет собой микшерный пульт и принимает сигналы микрофонного или линейного уровня в качестве входа (идущие от сцены к зоне микширования), а конечный микшированный выход отправляется обратно на сцену для основного (передний дома) усилители и колонки громкой связи.От микрофона до микшера и обратно к основным усилителям может быть более 100 метров кабеля, и при этом практически не будет слышен какой-либо шум.


Рисунок 5.3 — Симметричный микрофонный и линейный выходы

Телефонная система раньше полностью зависела от трансформаторов для передачи сигнала от АТС (или центрального офиса в США) на оборудование в помещении клиента (CPE). Телефонный коммутатор, используемый в офисах, оборудовании (PABX — Private Automatic Branch Exchange, или PBX для США) по-прежнему использует трансформаторы почти для всех входящих цепей, будь то аналоговые или цифровые.

Принцип в точности такой же, как и для показанного выше аудиоприложения, за исключением того, что для телефонных цепей обычно присутствует постоянное напряжение для питания CPE (в случае домашнего телефона) и для обеспечения некоторой базовой сигнализации. В современных схемах PABX используются трансформаторы с ферритовым сердечником и схема развязки постоянного тока, чтобы гарантировать, что постоянный ток не протекает через обмотки трансформатора, поскольку это ухудшает характеристики так же, как и выходной трансформатор для усилителя мощности SET. (Обратите внимание, что многие абонентские цепи теперь управляются через специально изготовленные ИС, которые исключают трансформатор.)

Аудиоприложения для трансформаторов в симметричных схемах пришли из телекоммуникационной отрасли, где впервые были придуманы эти концепции. Телефонная линия может иметь длину 4 км и более и не экранирована, поэтому метод устранения гула и шума был необходим. Сегодня существуют десятки (сотни?) Миллионов трансформаторов, используемых для соединений Ethernet LAN, и розетки RJ45 доступны со встроенными трансформаторами.


6. Безопасность

Безопасность является основным соображением для любого силового трансформатора (а в случае телекоммуникаций — изолирующих трансформаторов), и электрический контакт между первичной и вторичной обмотками не должен допускаться в соответствии с при любых реальных условиях неисправности .Во всех странах есть стандарты безопасности, которые применяются к трансформаторам, где важна электрическая изоляция, и если есть какие-либо сомнения в безопасности трансформатора для конкретной цели, убедитесь, что вы убедитесь, что трансформатор соответствует соответствующему стандарту (-ам). Рассмотрение всех возможных стандартов и вопросов соответствия выходит за рамки данной статьи, поэтому я оставлю это вам — и вашему поставщику.

Многие силовые трансформаторы оснащены внутренним предохранителем, работающим только на один раз, который размыкает цепь в случае превышения заданной температуры.Эта температура выбрана в качестве максимальной безопасной температуры обмоток перед тем, как изоляция расплавится или сломается, поэтому в случае неисправности плавкий предохранитель сработает до того, как будет повреждена изоляция, и компонент станет потенциально опасным. Это также помогает предотвратить риск пожара (и нет, это не предназначено для юмора — мой друг сгорел дотла из-за неисправного силового трансформатора в видеомагнитофоне — по мнению следователей по пожарам.Правдивая история!). См. Рис. 6.1 (ниже) в качестве примера того, насколько плохо может быть, если трансформатор не защищен.

После размыкания плавкого предохранителя трансформатор необходимо выбросить, так как обычно невозможно получить доступ к предохранителю для его замены. Это не так глупо, как может показаться, поскольку термическое разрушение перегретой изоляции невозможно предсказать, и трансформатор может быть небезопасным, если его все еще можно использовать.

Существуют трансформаторы, которые спроектированы так, чтобы быть «изначально безопасными», и у них обычно есть обмотки на отдельных участках сердечника, а не в физическом контакте друг с другом.Если сердечник соединен с заземлением с электробезопасностью (что обычно является обязательным), никакой метод отказа (включая полное расплавление) в первичной обмотке не позволит сетевому напряжению появиться на вторичной. Боковые обмотки являются следующими по безопасности, и, хотя первичная и вторичная обмотки находятся на одной катушке, используемый материал выбран таким образом, чтобы выдерживать высокие температуры и обеспечивать разделение обмоток. Тороидальные сердечники и другие трансформаторы с концентрической намоткой являются наименее безопасными, поскольку единственное разделение между первичной и вторичной обмотками — это довольно тонкий слой изоляции.Это одна из причин того, что термопредохранители часто используются с тороидами. Обратите внимание, что любой трансформатор, классифицированный как «безопасный по своей природе», обычно должен соответствовать очень строгим условиям утверждения в большинстве стран.


Рисунок 6.1 — Расплавление трансформатора

На рис. 6.1 показан трансформатор, который я снял с ремонтных работ. Это полный расплав, и остатки пластиковой шпульки видны достаточно четко. В любой цепи чрезвычайно важно защитить пользователя от контакта с сетью, если это произойдет.В этом случае бобина расплавилась от обмоток, капала на основание оборудования и в целом создавала большой беспорядок. Несмотря на все это, не было электрического соединения между первичной и вторичной обмотками или пластинами. Это был хорошо сделанный трансформатор (он вышел из строя из-за большой продолжительной перегрузки, а не из-за отказа самого трансформатора).

Надлежащее защитное заземление — единственный реальный способ гарантировать, что катастрофический отказ трансформатора (как показано на рисунке) не приведет к подаче напряжения на шасси — не все трансформаторы созданы равными с точки зрения безопасности.Правильный предохранитель гарантирует, что предохранитель перегорит — надеюсь, с до электрическая безопасность будет под угрозой. Тепловой предохранитель не позволил бы ситуации стать настолько плохой, как показано на рисунке, но трансформатор был бы так же мертв.


7. Шум

Трансформаторы шумят. Это не только электрический шум, который создается опасной формой волны тока через обмотки, диоды и конденсаторы фильтра, но и реальный слышимый шум. Одним из источников является вибрация обмотки из-за движения провода из-за магнитного поля и тока, протекающего по проводникам.Этого следует избегать любой ценой, поскольку постоянная вибрация в конечном итоге приведет к износу изоляции, короткому замыканию обмоток и выходу трансформатора из строя. К счастью, это довольно необычно, но иногда случается (и случается).

Большая часть шума исходит от пластин или другого материала сердечника, который сжимается под воздействием сильного магнитного поля. Это называется магнитострикцией и происходит в большей или меньшей степени со всеми магнитными материалами. Стетоскоп проверит источник шума, и нет ничего или почти ничего, что могло бы его остановить.Упругая установка предотвратит акустическое усиление большей части шума шасси, и, как правило, шум будет хуже без нагрузки. В некоторых случаях трансформатор может быть рассчитан на 60 Гц, но используется на 50 Гц. В этом случае плотность потока, вероятно, превысит максимально допустимую для сердечника (который насыщается), и трансформатор станет намного горячее, чем должен, и почти наверняка будет намного более шумным. Тороидальные трансформаторы обычно намного тише, чем ламинированные EI (т.е.е. обычные) типы.

Большинство (все?) Трансформаторов, разработанных специально для 60 Гц, в конечном итоге выйдут из строя с сетью 50 Гц из-за перегрева. Обратное неверно, и трансформаторы с частотой 50 Гц могут вполне безопасно работать с частотой 60 Гц.

Другая проблема с пластинами E-I заключается в том, что они могут быть недостаточно хорошо скреплены друг с другом, и это, в частности, позволяет внешним пластинам вибрировать. Обычные трансформаторы более высокого качества обычно пропитывают лаком (иногда под вакуумом) и запекают в умеренной печи до готовности…. ой, то есть до полного высыхания лака. Это связывает пластинки и обмотки вместе, предотвращая шум, а также делая трансформатор более устойчивым к повреждениям водой или другими загрязнениями и / или в условиях высокой влажности (например, в тропиках).


Щелкните любой из вышеперечисленных разделов, чтобы просмотреть остальные разделы этой серии. Как вы, наверное, заметили, трансформаторы все-таки не так просты.


Список литературы

Эти ссылки являются общими для обоих разделов статьи, хотя большинство из них относится только к разделу 2.Во время составления этих статей было исследовано бесчисленное количество различных веб-страниц, и, хотя некоторые из них были интересными, большинство использовалось минимально. Из тех, кого я действительно помню (сложная задача сама по себе, учитывая огромное количество поисков, которые мне приходилось делать), я должен поблагодарить следующие веб-страницы (в алфавитном порядке) …

  • Амидон
  • Школа ATDL (Армия США)
  • Трансформеры Jensen
  • Mitchell Electronics Corporation
  • Томи Энгдал — (ePanorama.нетто)

Я рекомендую статью «История трансформатора», хотя и не используется в качестве справочной. Он не технический, но дает некоторое представление о разработке трансформаторов в том виде, в каком мы их знаем.

Кроме того, я использовал различные другие ссылки, но, в частности (в порядке полезности) …


Следующие (слегка отредактированные) определения взяты из Единицы измерения Авторское право на сайт «

единиц измерения» принадлежит Расс Роулетту и Университету Северной Каролины в Чапел-Хилл.
(Определения использованы с разрешения автора.)

Тесла (Тл) — плотность потока (или напряженность поля) для магнитных полей (также называемая магнитной индукцией). Напряженность магнитного поля можно измерить, поместив в поле проводник с током. Магнитное поле оказывает на проводник силу, которая зависит от силы тока и длины проводника. Один тесла определяется как напряженность поля, генерирующая один Ньютон силы на ампер тока на метр проводника.Эквивалентно, одна тесла представляет собой плотность магнитного потока, равную одному Веберу на квадратный метр площади. Поле в один тесла довольно сильно: самые сильные поля, доступные в лабораториях, составляют около 20 тесла, а плотность магнитного потока Земли на ее поверхности составляет около 50 микротесла (мкТл). Одна Тесла равна 10 000 Гс. Tesla, определенная в 1958 году, названа в честь Николы Теслы (1856-1943), чья работа в области электромагнитной индукции привела к появлению первых практических генераторов и двигателей, использующих переменный ток (к большому раздражению Эдисона, который утверждал, что постоянный ток был « более безопасным »). .

Weber (Wb) — магнитный поток. «Поток» — это скорость (в единицу времени), с которой что-то пересекает поверхность, перпендикулярную потоку. В случае магнитного поля магнитный поток через перпендикулярную поверхность является произведением плотности магнитного потока в теслах и площади поверхности в квадратных метрах. Если переменное магнитное поле проходит перпендикулярно круговой петле из проводящего материала (один виток), изменение поля индуцирует электрический потенциал в петле.Если поток изменяется с постоянной скоростью один Вебер в секунду, индуцированный потенциал составляет один вольт. Это означает, что численно поток в веберах равен потенциалу в вольтах, который был бы создан путем равномерного сжатия поля до нуля за одну секунду. Один Вебер — это поток, индуцированный таким образом током, изменяющимся с постоянной скоростью один ампер в секунду. Единица посвящена немецкому физику Вильгельму Эдуарду Веберу (1804–1891), одному из первых исследователей магнетизма.



Основной индекс
Указатель статей
Уведомление об авторских правах. Эта статья, включая, но не ограничиваясь, весь текст и диаграммы, является интеллектуальной собственностью Рода Эллиотта и защищена авторским правом © 2001. Воспроизведение или повторная публикация любыми способами, электронными, механическими или электромеханическими, строго запрещены. в соответствии с международными законами об авторском праве. Автор (Род Эллиотт) предоставляет читателю право использовать эту информацию только для личного использования, а также разрешает сделать одну (1) копию для справки. Коммерческое использование запрещено без письменного разрешения Рода Эллиотта.

Страница создана и авторские права © 17 марта 2001 г. / обновлено 25 июня 2005 г. / ноя 2018 — незначительные обновления, удалены мертвые ссылки. / Ноя 2018 — добавлена ​​взаимная индуктивность.


Магнитный поток, индукция и закон Фарадея

Индуцированные ЭДС и магнитный поток

Закон индукции Фарадея гласит, что электродвижущая сила индуцируется изменением магнитного потока.

Цели обучения

Объясните взаимосвязь между магнитным полем и электродвижущей силой

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Это изменение потока магнитного поля, которое приводит к возникновению электродвижущей силы (или напряжения).
  • Магнитный поток (часто обозначаемый Φ или Φ B ), проходящий через поверхность, является составляющей магнитного поля, проходящего через эту поверхность.
  • В самом общем виде магнитный поток определяется как [латекс] \ Phi _ {\ text {B}} = \ iint _ {\ text {A}} \ mathbf {\ text {B}} \ cdot \ text {d} \ mathbf {\ text {A}} [/ latex]. Это интеграл (сумма) всего магнитного поля, проходящего через бесконечно малые элементы площади dA.
Ключевые термины
  • векторная площадь : вектор, величина которого является рассматриваемой областью, а направление перпендикулярно площади поверхности.
  • гальванометр : аналоговое измерительное устройство, обозначенное буквой G, которое измеряет ток, используя отклонение стрелки, вызванное силой магнитного поля, действующей на провод с током.

Индуцированная ЭДС

Аппарат, использованный Фарадеем для демонстрации того, что магнитные поля могут создавать токи, показан на следующем рисунке. Когда переключатель замкнут, магнитное поле создается в катушке в верхней части железного кольца и передается (или направляется) на катушку в нижней части кольца.Гальванометр используется для обнаружения любого тока, наведенного в отдельной катушке внизу.

Аппарат Фарадея : Это аппарат Фарадея для демонстрации того, что магнитное поле может производить ток. Изменение поля, создаваемого верхней катушкой, вызывает ЭДС и, следовательно, ток в нижней катушке. Когда переключатель разомкнут и замкнут, гальванометр регистрирует токи в противоположных направлениях. Когда переключатель остается замкнутым или разомкнутым, через гальванометр не течет ток.

Было обнаружено, что каждый раз, когда переключатель замыкается, гальванометр обнаруживает ток в одном направлении в катушке внизу. Каждый раз при размыкании переключателя гальванометр обнаруживает ток в противоположном направлении. Интересно, что если переключатель остается замкнутым или разомкнутым в течение некоторого времени, через гальванометр нет тока. Замыкание и размыкание переключателя индуцирует ток. Это изменение магнитного поля, которое создает ток. Более важным, чем текущий ток, является вызывающая его электродвижущая сила (ЭДС).Ток является результатом ЭДС, индуцированной изменяющимся магнитным полем, независимо от того, есть ли путь для протекания тока.

Магнитный поток

Магнитный поток (часто обозначаемый Φ или Φ B ), проходящий через поверхность, является составляющей магнитного поля, проходящего через эту поверхность. Магнитный поток через некоторую поверхность пропорционален количеству силовых линий, проходящих через эту поверхность. Магнитный поток, проходящий через поверхность с векторной площадью А, равен

.

[латекс] \ Phi_ \ text {B} = \ mathbf {\ text {B}} \ cdot \ mathbf {\ text {A}} = \ text {BA} \ cos \ theta [/ latex],

, где B — величина магнитного поля (в Тесла, Тл), A — площадь поверхности, а θ — угол между силовыми линиями магнитного поля и нормалью (перпендикулярно) к A.

Для переменного магнитного поля мы сначала рассмотрим магнитный поток [латекс] \ text {d} \ Phi _ \ text {B} [/ latex] через бесконечно малый элемент площади dA, где мы можем считать поле постоянным:

Изменяющееся магнитное поле : Каждая точка на поверхности связана с направлением, называемым нормалью к поверхности; магнитный поток, проходящий через точку, тогда является составляющей магнитного поля вдоль этого нормального направления.

[латекс] \ text {d} \ Phi_ \ text {B} = \ mathbf {\ text {B}} \ cdot \ text {d} \ mathbf {\ text {A}} [/ latex]

Общая поверхность A затем может быть разбита на бесконечно малые элементы, и тогда полный магнитный поток через поверхность равен интегралу поверхности

[латекс] \ Phi_ \ text {B} = \ iint_ \ text {A} \ mathbf {\ text {B}} \ cdot \ text {d} \ mathbf {\ text {A}} [/ latex].

Закон индукции Фарадея и закон Ленца

Закон индукции Фарадея гласит, что ЭДС, вызванная изменением магнитного потока, равна [латексу] \ text {EMF} = — \ text {N} \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta \ text {t}} [ / латекс], когда поток изменяется на Δ за время Δt.

Цели обучения

Выразите закон индукции Фарадея в форме уравнения

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Минус в законе Фарадея означает, что ЭДС создает ток I и магнитное поле B, которые препятствуют изменению потока Δ, известному как закон Ленца.
  • Закон индукции Фарадея является основным принципом работы трансформаторов, индукторов и многих типов электродвигателей, генераторов и соленоидов.
  • Закон Фарадея гласит, что ЭДС, вызванная изменением магнитного потока, зависит от изменения магнитного потока Δ, времени Δt и количества витков катушек.
Ключевые термины
  • электродвижущая сила : (ЭДС) — напряжение, генерируемое батареей или магнитной силой в соответствии с законом Фарадея.Она измеряется в вольтах, а не в ньютонах, и поэтому на самом деле не является силой.
  • Соленоид : Катушка с проволокой, которая действует как магнит, когда через нее протекает электрический ток.
  • поток : Скорость передачи энергии (или другой физической величины) через данную поверхность, в частности электрического или магнитного потока.

Закон индукции Фарадея

Закон индукции Фарадея — это основной закон электромагнетизма, который предсказывает, как магнитное поле будет взаимодействовать с электрической цепью, создавая электродвижущую силу (ЭДС).Это основной принцип работы трансформаторов, индукторов и многих типов электродвигателей, генераторов и соленоидов.

Эксперименты Фарадея показали, что ЭДС, вызванная изменением магнитного потока, зависит только от нескольких факторов. Во-первых, ЭДС прямо пропорциональна изменению потока Δ. Во-вторых, ЭДС является наибольшей, когда изменение во времени Δt наименьшее, то есть ЭДС обратно пропорциональна Δt. Наконец, если катушка имеет N витков, будет создаваться ЭДС, которая в N раз больше, чем для одиночной катушки, так что ЭДС прямо пропорциональна N.Уравнение для ЭДС, вызванной изменением магнитного потока, равно

[латекс] \ text {EMF} = — \ text {N} \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta \ text {t}} [/ latex].

Это соотношение известно как закон индукции Фарадея. Единицы измерения ЭДС, как обычно, — вольты.

Закон Ленца

Знак минус в законе индукции Фарадея очень важен. Минус означает, что ЭДС создает ток I и магнитное поле B, которые противодействуют изменению потока Δ, известному как закон Ленца. Направление (обозначенное знаком минус) ЭМП настолько важно, что оно названо законом Ленца в честь русского Генриха Ленца (1804–1865), который, подобно Фарадею и Генри, независимо исследовал аспекты индукции.Фарадей знал о направлении, но Ленц указал его, поэтому ему приписывают это открытие.

Закон Ленца : (а) Когда стержневой магнит вставляется в катушку, сила магнитного поля в катушке увеличивается. Ток, наведенный в катушке, создает другое поле в направлении, противоположном стержневому магниту, чтобы противодействовать увеличению. Это один из аспектов закона Ленца: индукция препятствует любому изменению потока. (b) и (c) — две другие ситуации. Убедитесь сами, что показанное направление индуцированной катушки B действительно противостоит изменению магнитного потока и что показанное направление тока согласуется с правилом правой руки.

Энергосбережение

Закон Ленца является проявлением сохранения энергии. Индуцированная ЭДС создает ток, который противодействует изменению потока, потому что изменение потока означает изменение энергии. Энергия может входить или уходить, но не мгновенно. Закон Ленца — это следствие. Когда изменение начинается, закон говорит, что индукция противодействует и, таким образом, замедляет изменение. Фактически, если бы индуцированная ЭДС была в том же направлении, что и изменение потока, была бы положительная обратная связь, которая не давала бы нам бесплатную энергию из любого видимого источника — закон сохранения энергии был бы нарушен.

Motional EMF

Движение в магнитном поле, которое является стационарным относительно Земли, вызывает ЭДС движения (электродвижущую силу).

Цели обучения

Определить процесс, вызывающий двигательную электродвижущую силу

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Закон индукции Фарадея можно использовать для расчета ЭДС движения, когда изменение магнитного потока вызвано движущимся элементом в системе.
  • То, что движущееся магнитное поле создает электрическое поле (и, наоборот, движущееся электрическое поле создает магнитное поле), является частью причины, по которой электрические и магнитные силы теперь рассматриваются как разные проявления одной и той же силы.
  • Любое изменение магнитного потока индуцирует электродвижущую силу (ЭДС), противодействующую этому изменению — процесс, известный как индукция. Движение — одна из основных причин индукции.
Ключевые термины
  • электродвижущая сила : (ЭДС) — напряжение, генерируемое батареей или магнитной силой в соответствии с законом Фарадея. Она измеряется в вольтах, а не в ньютонах, и поэтому на самом деле не является силой.
  • магнитный поток : мера силы магнитного поля в заданной области.
  • индукция : Генерация электрического тока изменяющимся магнитным полем.

Как было замечено в предыдущих атомах, любое изменение магнитного потока индуцирует электродвижущую силу (ЭДС), противодействующую этому изменению — процесс, известный как индукция. Движение — одна из основных причин индукции. Например, магнит, перемещенный к катушке, индуцирует ЭДС, а катушка, перемещенная к магниту, создает аналогичную ЭДС. В этом Атоме мы концентрируемся на движении в магнитном поле, которое является стационарным относительно Земли, производя то, что в общих чертах называется ЭДС движения.

Motional EMF

Рассмотрим ситуацию, показанную на. Стержень перемещается со скоростью v по паре проводящих рельсов, разделенных расстоянием в однородном магнитном поле B. Рельсы неподвижны относительно B и подключены к стационарному резистору R ( резистором может быть что угодно от лампочки до вольтметра). Учтите площадь, ограниченную подвижным стержнем, направляющими и резистором. B перпендикулярно этой области, и площадь увеличивается по мере перемещения стержня. Таким образом, магнитный поток между рельсами, стержнем и резистором увеличивается.Когда поток изменяется, ЭДС индуцируется согласно закону индукции Фарадея.

ЭДС движения : (a) ЭДС движения = Bℓv индуцируется между рельсами, когда этот стержень перемещается вправо в однородном магнитном поле. Магнитное поле B направлено внутрь страницы, перпендикулярно движущемуся стержню и рельсам и, следовательно, к области, окружающей их. (б) Закон Ленца дает направление индуцированного поля и тока, а также полярность наведенной ЭДС. Поскольку поток увеличивается, индуцированное поле направлено в противоположном направлении или за пределы страницы.Правило правой руки дает указанное направление тока, и полярность стержня будет управлять таким током.

Чтобы найти величину ЭДС, индуцированной вдоль движущегося стержня, мы используем закон индукции Фарадея без знака:

[латекс] \ text {EMF} = \ text {N} \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta \ text {t}} [/ latex].

В этом уравнении N = 1 и поток Φ = BAcosθ. Имеем θ = 0º и cosθ = 1, так как B перпендикулярно A. Теперь Δ = Δ (BA) = BΔA, поскольку B однородна. Отметим, что площадь, заметаемая стержнем, равна ΔA = ℓx.Ввод этих величин в выражение для ЭДС дает:

[латекс] \ text {EMF} = \ frac {\ text {B} \ Delta \ text {A}} {\ Delta \ text {t}} = \ text {B} \ frac {\ text {l} \ Дельта \ text {x}} {\ Delta \ text {t}} = \ text {Blv} [/ latex].

Чтобы найти направление индуцированного поля, направление тока и полярность наведенной ЭДС, мы применяем закон Ленца, как объяснено в Законе индукции Фарадея: Закон Ленца. Как видно на рис. 1 (b), уровень освещенности увеличивается, так как увеличивается закрытая площадь.Таким образом, индуцированное поле должно противостоять существующему и быть вне страницы. (Правило правой руки требует, чтобы я вращался против часовой стрелки, что, в свою очередь, означает, что вершина стержня положительна, как показано.)

Электрическое поле против магнитного поля

Между электрической и магнитной силой существует множество связей. То, что движущееся магнитное поле создает электрическое поле (и, наоборот, движущееся электрическое поле создает магнитное поле), является частью причины, по которой электрические и магнитные силы теперь рассматриваются как различных проявлений одной и той же силы (впервые замечено Альбертом Эйнштейном) .Это классическое объединение электрических и магнитных сил в так называемую электромагнитную силу является источником вдохновения для современных усилий по объединению других основных сил.

Обратная ЭДС, вихревые токи и магнитное демпфирование

Обратная ЭДС, вихревые токи и магнитное затухание — все это происходит из-за наведенной ЭДС и может быть объяснено законом индукции Фарадея.

Цели обучения

Объясните взаимосвязь между двигательной электродвижущей силой, вихревыми токами и магнитным демпфированием

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Входной ЭДС, которая питает двигатель, может противодействовать самогенерируемая ЭДС двигателя, называемая обратной ЭДС двигателя.
  • Если ЭДС движения может вызвать токовую петлю в проводнике, ток называется вихревым током.
  • Вихревые токи могут вызывать значительное сопротивление, называемое магнитным демпфированием, при движении.
Ключевые термины
  • электродвижущая сила : (ЭДС) — напряжение, генерируемое батареей или магнитной силой в соответствии с законом Фарадея. Она измеряется в вольтах, а не в ньютонах, и поэтому на самом деле не является силой.
  • Закон индукции Фарадея : основной закон электромагнетизма, который предсказывает, как магнитное поле будет взаимодействовать с электрической цепью, создавая электродвижущую силу (ЭДС).

Задний ЭДС

Двигатели и генераторы очень похожи. (Прочтите наши атомы в разделах «Электрические генераторы» и «Электродвигатели».) Генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую, а двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую. Кроме того, двигатели и генераторы имеют одинаковую конструкцию. Когда катушка двигателя поворачивается, магнитный поток изменяется, и возникает электродвижущая сила (ЭДС), соответствующая закону индукции Фарадея. Таким образом, двигатель действует как генератор всякий раз, когда его катушка вращается.Это произойдет независимо от того, поворачивается ли вал под действием внешнего источника, например ременной передачи, или под действием самого двигателя. То есть, когда двигатель выполняет работу и его вал вращается, возникает ЭДС. Закон Ленца говорит нам, что наведенная ЭДС противодействует любому изменению, так что входной ЭДС, питающей двигатель, будет противодействовать самогенерируемая ЭДС двигателя, называемая обратной ЭДС двигателя.

Вихретоковый

Как обсуждалось в разделе «ЭДС движения», ЭДС движения индуцируется, когда проводник движется в магнитном поле или когда магнитное поле движется относительно проводника.Если подвижная ЭДС может вызвать токовую петлю в проводнике, мы называем этот ток вихревым. Вихревые токи могут вызывать значительное сопротивление движению, называемое магнитным затуханием.

Рассмотрим устройство, показанное на рисунке, которое раскачивает маятник между полюсами сильного магнита. Если боб металлический, то при входе в поле и выходе из поля он испытывает значительное сопротивление, что быстро гасит движение. Однако, если боб представляет собой металлическую пластину с прорезями, как показано на (b), эффект от магнита будет гораздо меньше.Заметного воздействия на боб из изолятора не наблюдается.

Устройство для исследования вихревых токов и магнитного затухания : Обычное демонстрационное устройство для изучения вихревых токов и магнитного затухания. (а) Движение металлического маятника, раскачивающегося между полюсами магнита, быстро затухает под действием вихревых токов. (b) Имеется незначительное влияние на движение металлического боба с прорезями, что означает, что вихревые токи становятся менее эффективными. (c) На непроводящем бобе также отсутствует магнитное затухание, поскольку вихревые токи чрезвычайно малы.

показывает, что происходит с металлической пластиной, когда она входит в магнитное поле и выходит из него. В обоих случаях он испытывает силу, противодействующую его движению. Когда он входит слева, поток увеличивается, и поэтому возникает вихревой ток (закон Фарадея) в направлении против часовой стрелки (закон Ленца), как показано. Только правая сторона токовой петли находится в поле, так что слева на нее действует беспрепятственная сила (правило правой руки). Когда металлическая пластина полностью находится внутри поля, вихревой ток отсутствует, если поле однородно, поскольку поток остается постоянным в этой области.Но когда пластина покидает поле справа, поток уменьшается, вызывая вихревой ток по часовой стрелке, который, опять же, испытывает силу слева, еще больше замедляя движение. Аналогичный анализ того, что происходит, когда пластина поворачивается справа налево, показывает, что ее движение также затухает при входе в поле и выходе из него.

Проводящая пластина, проходящая между полюсами магнита : более подробный взгляд на проводящую пластину, проходящую между полюсами магнита.Когда он входит в поле и выходит из него, изменение потока создает вихревой ток. Магнитная сила на токовой петле препятствует движению. Когда пластина полностью находится внутри однородного поля, нет ни тока, ни магнитного сопротивления.

Когда металлическая пластина с прорезями входит в поле, как показано на, ЭДС индуцируется изменением магнитного потока, но она менее эффективна, поскольку прорези ограничивают размер токовых петель. Более того, в соседних контурах есть токи в противоположных направлениях, и их эффекты нейтрализуются.Когда используется изолирующий материал, вихревые токи чрезвычайно малы, поэтому магнитное затухание на изоляторах незначительно. Если необходимо избегать вихревых токов в проводниках, они могут быть выполнены с прорезями или состоять из тонких слоев проводящего материала, разделенных изоляционными листами.

Вихревые токи, наведенные в металлической пластине с прорезями : Вихревые токи, индуцированные в металлической пластине с прорезями, входящие в магнитное поле, образуют небольшие петли, и силы на них имеют тенденцию нейтрализоваться, тем самым делая магнитное сопротивление почти нулевым.

Изменение магнитного потока создает электрическое поле

Закон индукции Фарадея гласит, что изменение магнитного поля создает электрическое поле: [latex] \ varepsilon = — \ frac {\ partial \ Phi_ \ text {B}} {\ partial \ text {t}} [/ latex].

Цели обучения

Опишите взаимосвязь между изменяющимся магнитным полем и электрическим полем

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Закон индукции Фарадея — это основной закон электромагнетизма, который предсказывает, как магнитное поле будет взаимодействовать с электрической цепью, создавая электродвижущую силу.
  • Альтернативная дифференциальная форма закона индукции Фарадея выражается в уравнении [latex] \ nabla \ times \ vec {\ text {E}} = — \ frac {\ partial \ vec {\ text {B}}} { \ partial \ text {t}} [/ latex].
  • Закон индукции Фарадея — одно из четырех уравнений Максвелла, управляющих всеми электромагнитными явлениями.
Ключевые термины
  • векторная область : вектор, величина которого соответствует рассматриваемой области и направление которого перпендикулярно плоскости.
  • Уравнения Максвелла : Набор уравнений, описывающих, как электрические и магнитные поля генерируются и изменяются друг другом, а также зарядами и токами.
  • Теорема Стокса : утверждение об интегрировании дифференциальных форм на многообразиях, которое одновременно упрощает и обобщает несколько теорем векторного исчисления.

Мы изучили закон индукции Фарадея в предыдущих атомах. Мы узнали взаимосвязь между наведенной электродвижущей силой (ЭДС) и магнитным потоком.Вкратце, закон гласит, что изменение магнитного поля [латекс] (\ frac {\ text {d} \ Phi_ \ text {B}} {\ text {dt}}) [/ latex] создает электрическое поле [латекс] (\ varepsilon) [/ latex], закон индукции Фарадея выражается как [latex] \ varepsilon = — \ frac {\ partial \ Phi_ \ text {B}} {\ partial \ text {t}} [/ latex], где [латекс] \ varepsilon [/ latex] — это индуцированная ЭДС, а [latex] \ Phi_ \ text {B} [/ latex] — магнитный поток. («N» опущено из нашего предыдущего выражения. Число витков катушки может быть включено в магнитный поток, поэтому коэффициент не является обязательным.) Закон индукции Фарадея — это основной закон электромагнетизма, который предсказывает, как магнитное поле будет взаимодействовать с электрической цепью, создавая электродвижущую силу (ЭДС). В этом Атоме мы узнаем об альтернативном математическом выражении закона.

Эксперимент Фарадея : эксперимент Фарадея, показывающий индукцию между витками проволоки: жидкая батарея (справа) обеспечивает ток, который течет через небольшую катушку (A), создавая магнитное поле. Когда катушки неподвижны, ток не индуцируется.Но когда малая катушка перемещается внутрь или из большой катушки (B), магнитный поток через большую катушку изменяется, вызывая ток, который регистрируется гальванометром (G).

Дифференциальная форма закона Фарадея

Магнитный поток [латекс] \ Phi_ \ text {B} = \ int_ \ text {S} \ vec {\ text {B}} \ cdot \ text {d} \ vec {\ text {A}} [/ латекс], где [латекс] \ vec {\ text {A}} [/ latex] — это векторная площадь над замкнутой поверхностью S. Устройство, которое может поддерживать разность потенциалов, несмотря на протекание тока, является источником электродвижущей силы. .(EMF) Математически определение [латекс] \ varepsilon = \ oint_ \ text {C} \ vec {\ text {E}} \ cdot \ text {d} \ vec {\ text {s}} [/ latex], где интеграл вычисляется по замкнутому циклу C.

Закон Фарадея теперь можно переписать [latex] \ oint_ \ text {C} \ vec {\ text {E}} \ cdot \ text {d} \ vec {\ text {s}} = — \ frac {\ partial} {\ partial \ text {t}} (\ int \ vec {\ text {B}} \ cdot \ text {d} \ vec {\ text {A}}) [/ latex]. Используя теорему Стокса в векторном исчислении, левая часть равна [latex] \ oint_ \ text {C} \ vec {\ text {E}} \ cdot \ text {d} \ vec {\ text {s}} = \ int_ \ text {S} (\ nabla \ times \ vec {\ text {E}}) \ cdot \ text {d} \ vec {\ text {A}} [/ latex].Также обратите внимание, что в правой части [latex] \ frac {\ partial} {\ partial \ text {t}} (\ int \ vec {\ text {B}} \ cdot \ text {d} \ vec {\ текст {A}}) = \ int \ frac {\ partial \ vec {\ text {B}}} {\ partial \ text {t}} \ cdot \ text {d} \ vec {\ text {A}} [ /латекс]. Таким образом, мы получаем альтернативную форму закона индукции Фарадея: [latex] \ nabla \ times \ vec {\ text {E}} = — \ frac {\ partial \ vec {\ text {B}}} {\ partial \ text {t}} [/ latex]. Это также называют дифференциальной формой закона Фарадея. Это одно из четырех уравнений Максвелла, управляющих всеми электромагнитными явлениями.

Электрогенераторы

Электрические генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую; они индуцируют ЭДС, вращая катушку в магнитном поле.

Цели обучения

Объясните, как в электрогенераторах индуцируется электродвижущая сила.

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Электрический генератор вращает катушку в магнитном поле, индуцируя ЭДС, заданную как функцию времени величиной ε = NABw sinωt.
  • Генераторы поставляют почти всю мощность для электрических сетей, которые обеспечивают большую часть мировой электроэнергии.
  • Двигатель становится генератором, когда его вал вращается.
Ключевые термины
  • электродвижущая сила : (ЭДС) — напряжение, генерируемое батареей или магнитной силой в соответствии с законом Фарадея. Она измеряется в вольтах, а не в ньютонах, и поэтому на самом деле не является силой.
  • турбина : Любая из различных вращающихся машин, которые используют кинетическую энергию непрерывного потока жидкости (жидкости или газа) для вращения вала.

Электрические генераторы — это устройства, преобразующие механическую энергию в электрическую.Они индуцируют электродвижущую силу (ЭДС), вращая катушку в магнитном поле. Это устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую. Генератор заставляет электрический заряд (обычно переносимый электронами) проходить через внешнюю электрическую цепь. Возможные источники механической энергии включают в себя поршневой или турбинный паровой двигатель, воду, падающую через турбину или водяное колесо, двигатель внутреннего сгорания, ветряную турбину, ручной кривошип, сжатый воздух или любой другой источник механической энергии.Генераторы поставляют почти всю мощность для электрических сетей, которые обеспечивают большую часть мировой электроэнергии.

Паровой турбогенератор : современный паротурбинный генератор.

Базовая настройка

Рассмотрим установку, показанную на. Заряды в проводах петли испытывают магнитную силу, потому что они движутся в магнитном поле. Заряды в вертикальных проводах испытывают силы, параллельные проводу, вызывая токи. Однако те, кто находится в верхнем и нижнем сегментах, ощущают силу, перпендикулярную проводу; эта сила не вызывает тока.Таким образом, мы можем найти наведенную ЭДС, рассматривая только боковые провода. ЭДС движения задается равной ЭДС = Bℓv, где скорость v перпендикулярна магнитному полю B (см. Наш Атом в «ЭДС движения»). Здесь скорость находится под углом θ к B, так что ее составляющая, перпендикулярная B, равна vsinθ.

Схема электрического генератора : Генератор с одной прямоугольной катушкой, вращающейся с постоянной угловой скоростью в однородном магнитном поле, создает ЭДС, синусоидально изменяющуюся во времени.Обратите внимание, что генератор похож на двигатель, за исключением того, что вал вращается для выработки тока, а не наоборот.

Таким образом, в этом случае ЭДС, индуцированная с каждой стороны, равна ЭДС = Bℓvsinθ, и они направлены в одном направлении. Общая ЭДС [латекс] \ varepsilon [/ latex] вокруг петли тогда:

[латекс] \ varepsilon = 2 \ text {Blv} \ sin {\ theta} [/ latex].

Это выражение допустимо, но оно не дает ЭДС как функцию времени. Чтобы найти зависимость ЭДС от времени, предположим, что катушка вращается с постоянной угловой скоростью ω.Угол θ связан с угловой скоростью соотношением θ = ωt, так что:

[латекс] \ varepsilon = 2 \ text {Blv} \ sin {\ omega \ text {t}} [/ latex].

Итак, линейная скорость v связана с угловой скоростью соотношением v = rω. Здесь r = w / 2, так что v = (w / 2) ω, и:

[латекс] \ varepsilon = 2 \ text {Bl} \ frac {\ text {w}} {2} \ omega \ sin {\ omega \ text {t}} = (\ text {lw}) \ text {B } \ omega \ sin {\ omega \ text {t}} [/ латекс].

Учитывая, что площадь петли A = ℓw, и учитывая N петель, мы находим, что:

[латекс] \ varepsilon = \ text {NABw} ~ \ sin {\ omega \ text {t}} [/ latex] — это ЭДС, индуцированная в катушке генератора N витков и площади A, вращающейся с постоянной угловой скоростью в однородное магнитное поле B.

Генераторы, показанные в этом Atom, очень похожи на двигатели, показанные ранее. Это не случайно. Фактически, двигатель становится генератором, когда его вал вращается.

Электродвигатели

Электродвигатель — это устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую.

Цели обучения

Объясните, как сила создается в электродвигателях

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Большинство электродвигателей используют взаимодействие магнитных полей и токопроводящих проводников для создания силы.
  • Ток в проводнике состоит из движущихся зарядов. Следовательно, катушка с током в магнитном поле также будет ощущать силу Лоренца.
  • В двигателе катушка с током в магнитном поле испытывает силу с обеих сторон катушки, которая создает крутящую силу (называемую крутящим моментом), заставляющую ее вращаться.
Ключевые термины
  • Сила Лоренца : Сила, действующая на заряженную частицу в электромагнитном поле.
  • крутящий момент : вращательное или скручивающее действие силы; (Единица СИ ньютон-метр или Нм; британская единица измерения фут-фунт или фут-фунт)

Основные принципы работы двигателя такие же, как и у генератора, за исключением того, что двигатель преобразует электрическую энергию в механическую энергию (движение).(Сначала прочтите наш атом об электрических генераторах.) Большинство электродвигателей используют взаимодействие магнитных полей и проводников с током для создания силы. Электродвигатели используются в самых разных областях, таких как промышленные вентиляторы, нагнетатели и насосы, станки, бытовая техника, электроинструменты и дисководы.

Лоренц Форс

Если вы поместите движущуюся заряженную частицу в магнитное поле, на нее будет действовать сила, называемая силой Лоренца:

[латекс] \ text {F} = \ text {q} \ times \ text {v} \ times \ text {B} [/ latex]

Правило правой руки : Правило правой руки, показывающее направление силы Лоренца

, где v — скорость движущегося заряда, q — заряд, а B — магнитное поле.Ток в проводнике состоит из движущихся зарядов. Следовательно, катушка с током в магнитном поле также будет ощущать силу Лоренца. Для неподвижного прямолинейного токоведущего провода сила Лоренца составляет:

.

[латекс] \ text {F} = \ text {I} \ times \ text {L} \ times \ text {B} [/ latex]

где F — сила (в ньютонах, Н), I — ток в проводе (в амперах, А), L — длина провода, находящегося в магнитном поле (в м). , B — напряженность магнитного поля (в теслах, Тл).Направление силы Лоренца перпендикулярно как направлению потока тока, так и магнитного поля, и его можно найти с помощью правила правой руки, показанного на рисунке. Используя правую руку, направьте большой палец в направлении тока, и укажите указательным пальцем в направлении магнитного поля. Ваш третий палец теперь будет указывать в направлении силы.

Torque : Сила на противоположных сторонах катушки будет в противоположных направлениях, потому что заряды движутся в противоположных направлениях.Это означает, что катушка будет вращаться.

Механика двигателя

И двигатели, и генераторы можно объяснить с помощью катушки, вращающейся в магнитном поле. В генераторе катушка подключена к внешней цепи, которая затем включается. Это приводит к изменению потока, который индуцирует электромагнитное поле. В двигателе катушка с током в магнитном поле испытывает силу с обеих сторон катушки, которая создает крутящую силу (называемую крутящим моментом), заставляющую ее вращаться.Любая катушка, по которой проходит ток, может чувствовать силу в магнитном поле. Эта сила является силой Лоренца, действующей на движущиеся заряды в проводнике. Сила на противоположных сторонах катушки будет в противоположных направлениях, потому что заряды движутся в противоположных направлениях. Это означает, что катушка будет вращаться.

Индуктивность

Индуктивность — это свойство устройства, которое показывает, насколько эффективно оно индуцирует ЭДС в другом устройстве или на самом себе.

Цели обучения

Описание свойств катушки индуктивности с указанием взаимной индуктивности и самоиндукции

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Взаимная индуктивность — это эффект воздействия двух устройств друг на друга ЭДС.Изменение тока ΔI 1 / Δt в одном вызывает ЭДС ЭДС2 в секунду: ЭДС 2 = -M ΔI 1 / Δt, где M определяется как взаимная индуктивность между двумя устройствами.
  • Самоиндукция — это эффект, который устройство вызывает само по себе.
  • Устройство, которое демонстрирует значительную самоиндукцию, называется индуктором, и ЭДС, индуцированная в нем изменением тока через него, равна ЭДС = −L ΔI / Δt.
Ключевые термины
  • Закон индукции Фарадея : основной закон электромагнетизма, который предсказывает, как магнитное поле будет взаимодействовать с электрической цепью, создавая электродвижущую силу (ЭДС).
  • трансформатор : статическое устройство, которое передает электрическую энергию от одной цепи к другой с помощью магнитной связи. Их основное назначение — передача энергии между различными уровнями напряжения, что позволяет выбирать наиболее подходящее напряжение для выработки, передачи и распределения электроэнергии по отдельности.

Индукция — это процесс, при котором ЭДС индуцируется изменением магнитного потока. Трансформаторы, например, спроектированы так, чтобы быть особенно эффективными для создания желаемого напряжения и тока с очень небольшими потерями энергии в другие формы (см. Наш Atom в разделе «Трансформаторы.«) Есть ли полезная физическая величина, связанная с тем, насколько« эффективно »данное устройство? Ответ — да, и эта физическая величина называется индуктивностью.

Взаимная индуктивность

Взаимная индуктивность — это влияние закона индукции Фарадея для одного устройства на другое, например, первичная катушка, при передаче энергии вторичной обмотке в трансформаторе. Посмотрите, где простые катушки наводят друг на друга ЭДС.

Взаимная индуктивность катушек : Эти катушки могут вызывать ЭДС друг в друге, как неэффективный трансформатор.Их взаимная индуктивность M указывает на эффективность связи между ними. Здесь видно, что изменение тока в катушке 1 вызывает ЭДС в катушке 2. (Обратите внимание, что «E2 индуцированная» представляет наведенную ЭДС в катушке 2.)

Во многих случаях, когда геометрия устройств фиксирована, магнитный поток изменяется за счет изменения тока. Поэтому мы концентрируемся на скорости изменения тока, ΔI / Δt, как на причине индукции. Изменение тока I 1 в одном устройстве, катушка 1, индуцирует ЭДС 2 в другом.Мы выражаем это в форме уравнения как

[латекс] \ text {EMF} _2 = — \ text {M} \ frac {\ Delta \ text {I} _1} {\ Delta \ text {t}} [/ latex],

, где M определяется как взаимная индуктивность между двумя устройствами. Знак минус является выражением закона Ленца. Чем больше взаимная индуктивность M, тем эффективнее связь.

Природа здесь симметрична. Если мы изменим ток I2 в катушке 2, мы индуцируем ЭДС 1 в катушке 1, которая равна

[латекс] \ text {EMF} _1 = — \ text {M} \ frac {\ Delta \ text {I} _2} {\ Delta \ text {t}} [/ latex],

, где M то же, что и для обратного процесса.Трансформаторы работают в обратном направлении с такой же эффективностью или взаимной индуктивностью M.

Собственная индуктивность

Самоиндуктивность, действие закона индукции Фарадея устройства на самого себя, также существует. Когда, например, увеличивается ток через катушку, магнитное поле и магнитный поток также увеличиваются, вызывая противоэдс, как того требует закон Ленца. И наоборот, если ток уменьшается, индуцируется ЭДС, которая препятствует уменьшению. Большинство устройств имеют фиксированную геометрию, поэтому изменение магнитного потока полностью связано с изменением тока ΔI через устройство.Индуцированная ЭДС связана с физической геометрией устройства и скоростью изменения тока. Выдается

[латекс] \ text {EMF} = — \ text {L} \ frac {\ Delta \ text {I}} {\ Delta \ text {t}} [/ latex],

где L — самоиндукция устройства. Устройство, которое демонстрирует значительную самоиндукцию, называется индуктором. Опять же, знак минус является выражением закона Ленца, указывающего на то, что ЭДС препятствует изменению тока.

Количественная интерпретация ЭДС движения

A ЭДС движения — это электродвижущая сила (ЭДС), индуцированная движением относительно магнитного поля B.

Цели обучения

Сформулируйте две точки зрения, которые применяются для расчета электродвижущей силы

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Движущая и индуцированная ЭДС — это одно и то же явление, только наблюдаемое в разных системах отсчета. Эквивалентность этих двух явлений подтолкнула Эйнштейна к работе над специальной теорией относительности.
  • ЭДС, возникающая из-за относительного движения петли и магнита, задается как [latex] \ varepsilon _ {\ text {motion}} = \ text {vB} \ times \ text {L} [/ latex] (Eq.1), где L — длина объекта, движущегося со скоростью v относительно магнита.
  • ЭДС можно рассчитать с двух разных точек зрения: 1) с точки зрения магнитной силы, действующей на движущиеся электроны в магнитном поле, и 2) с точки зрения скорости изменения магнитного потока. Оба дают одинаковый результат.
Ключевые термины
  • специальная теория относительности : теория, которая (игнорируя эффекты гравитации) согласовывает принцип относительности с наблюдением, что скорость света постоянна во всех системах отсчета.
  • магнитное поле : Состояние в пространстве вокруг магнита или электрического тока, в котором существует обнаруживаемая магнитная сила и где присутствуют два магнитных полюса.
  • рамка отсчета : система координат или набор осей, в пределах которых можно измерить положение, ориентацию и другие свойства объектов в ней.

Электродвижущая сила (ЭДС), индуцированная движением относительно магнитного поля B, называется ЭДС движения. Вы могли заметить, что ЭДС движения очень похожа на ЭДС, вызванную изменением магнитного поля.В этом атоме мы видим, что это действительно одно и то же явление, показанное в разных системах отсчета.

Motional EMF

В случае, когда проводящая петля перемещается в магнит, показанный на (а), магнитная сила, действующая на движущийся заряд в петле, определяется выражением [латекс] evB [/ латекс] (сила Лоренца, e: заряд электрона).

Петля проводника, движущаяся в магнит : (а) ЭДС движения. Токовая петля переходит в неподвижный магнит. Направление магнитного поля внутрь экрана.(б) Индуцированная ЭДС. Токовая петля неподвижна, а магнит движется.

Из-за силы электроны будут продолжать накапливаться с одной стороны (нижний конец на рисунке), пока на стержне не установится достаточное электрическое поле, противодействующее движению электронов, которое составляет [латекс] \ text {eE} [/ латекс]. Приравнивая две силы, получаем [латекс] \ text {E} = \ text {vB} [/ latex].

Следовательно, двигательная ЭДС на длине L стороны петли определяется как [latex] \ varepsilon _ {\ text {motion}} = \ text {vB} \ times \ text {L} [/ latex] (Eq .1), где L — длина объекта, движущегося со скоростью v относительно магнита.

Индуцированная ЭДС

Поскольку скорость изменения магнитного потока, проходящего через петлю, равна [latex] \ text {B} \ frac {\ text {dA}} {\ text {dt}} [/ latex] (A: площадь петли что магнитное поле проходит), индуцированная ЭДС [латекс] \ varepsilon _ {\ text {индуцированный}} = \ text {BLv} [/ latex] (уравнение 2).

Эквивалентность движущей и индуцированной ЭДС

Из уравнения. 1 и уравнение. 2 мы можем подтвердить, что двигательная и индуцированная ЭДС дают одинаковый результат.Фактически, эквивалентность двух явлений побудила Альберта Эйнштейна исследовать специальную теорию относительности. В своей основополагающей статье по специальной теории относительности, опубликованной в 1905 году, Эйнштейн начинает с упоминания эквивалентности двух явлений:

«…… например, взаимное электродинамическое действие магнита и проводника. Наблюдаемое явление здесь зависит только от относительного движения проводника и магнита, в то время как обычный взгляд проводит резкое различие между двумя случаями, когда одно или другое из этих тел находится в движении.Поскольку, если магнит находится в движении, а проводник находится в покое, в окрестности магнита возникает электрическое поле с определенной определенной энергией , производящее ток в местах, где части проводника расположенный. Но если магнит неподвижен, а проводник находится в движении, электрическое поле поблизости от магнита не возникает. В проводнике, однако, мы находим электродвижущую силу, которой сама по себе не соответствует энергия, но которая порождает — при условии равенства относительного движения в двух рассмотренных случаях — электрические токи того же пути и силы, что и создаваемые электрическими силами в первом случае.«

Механические работы и электроэнергия

Механическая работа, совершаемая внешней силой для создания ЭДС движения, преобразуется в тепловую энергию; энергия сохраняется в процессе.

Цели обучения

Применить закон сохранения энергии для описания производственной двигательной электродвижущей силы с механической работой

Основные выводы

Ключевые моменты
  • ЭДС движения, создаваемая движущимся проводником в однородном поле, задается следующим образом [latex] \ varepsilon = \ text {Blv} [/ latex].
  • Чтобы стержень двигался с постоянной скоростью v, мы должны постоянно прикладывать внешнюю силу F ext к стержню во время его движения.
  • Закон Ленца гарантирует, что движение стержня противоположно, и, следовательно, закон сохранения энергии не нарушается.
Ключевые термины
  • ЭДС движения : ЭДС (электродвижущая сила), индуцированная движением относительно магнитного поля.
  • Закон индукции Фарадея : основной закон электромагнетизма, который предсказывает, как магнитное поле будет взаимодействовать с электрической цепью, создавая электродвижущую силу (ЭДС).

Мы узнали о двигательной ЭДС ранее (см. Наш Атом в «Двигательной ЭДС»). Для простой схемы, показанной ниже, ЭДС движения [латекс] (\ varepsilon) [/ латекс], создаваемая движущимся проводником (в однородном поле), задается следующим образом:

[латекс] \ varepsilon = \ text {Blv} [/ латекс]

, где B — магнитное поле, l — длина проводящего стержня, а v — (постоянная) скорость его движения. ( B , l и v все перпендикулярны друг другу, как показано на изображении ниже.)

ЭДС движения : (a) ЭДС движения = Bℓv индуцируется между рельсами, когда этот стержень перемещается вправо в однородном магнитном поле. Магнитное поле B направлено внутрь страницы, перпендикулярно движущемуся стержню и рельсам и, следовательно, к области, окружающей их. (б) Закон Ленца дает направление индуцированного поля и тока, а также полярность наведенной ЭДС. Поскольку поток увеличивается, индуцированное поле направлено в противоположном направлении или за пределы страницы. Правило правой руки дает указанное направление тока, и полярность стержня будет управлять таким током.

Сохранение энергии

В этом атоме мы рассмотрим систему с точки зрения энергии . Поскольку стержень движется и пропускает ток и , он ощущает силу Лоренца

.

[латекс] \ text {F} _ \ text {L} = \ text {iBL} [/ latex].

Чтобы стержень двигался с постоянной скоростью v , мы должны постоянно прикладывать внешнюю силу F ext (равную величине F L и противоположную по направлению) к стержню вдоль его движения. .Поскольку стержень движется со скоростью v , мощность P , передаваемая внешней силой, будет:

[латекс] \ text {P} = \ text {F} _ {\ text {ext}} \ text {v} = (\ text {iBL}) \ times \ text {v} = \ text {i} \ варепсилон [/ латекс].

На последнем этапе мы использовали первое уравнение, о котором мы говорили. Обратите внимание, что это в точности мощность, рассеиваемая в контуре (= ток [латекс] \ умноженное на [/ латекс] напряжение). Таким образом, мы заключаем, что механическая работа, совершаемая внешней силой, чтобы стержень двигался с постоянной скоростью, преобразуется в тепловую энергию в контуре.В более общем смысле, механическая работа, совершаемая внешней силой для создания ЭДС движения, преобразуется в тепловую энергию. Энергия сохраняется в процессе.

Закон Ленца

Из «Закона индукции Фарадея и закона Ленца» мы узнали, что закон Ленца является проявлением сохранения энергии. Как мы видим в примере с этим атомом, закон Ленца гарантирует, что движение стержня противодействует из-за склонности природы противодействовать изменению магнитного поля. Если бы индуцированная ЭДС была в том же направлении, что и изменение потока, возникла бы положительная обратная связь, заставляющая стержень улетать от малейшего возмущения.

Энергия в магнитном поле

Магнитное поле накапливает энергию. Плотность энергии задается как [латекс] \ text {u} = \ frac {\ mathbf {\ text {B}} \ cdot \ mathbf {\ text {B}}} {2 \ mu} [/ latex].

Цели обучения

Выразите плотность энергии магнитного поля в форме уравнения

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Энергия необходима для создания магнитного поля как для работы против электрического поля, создаваемого изменяющимся магнитным полем, так и для изменения намагниченности любого материала в магнитном поле.2 [/ латекс].
Ключевые термины
  • проницаемость : Количественная мера степени намагничивания материала в присутствии приложенного магнитного поля (измеряется в ньютонах на ампер в квадрате в единицах СИ).
  • индуктор : Пассивное устройство, которое вводит индуктивность в электрическую цепь.
  • ферромагнетик : Материалы, обладающие постоянными магнитными свойствами.

Энергия необходима для создания магнитного поля как для работы против электрического поля, создаваемого изменяющимся магнитным полем, так и для изменения намагниченности любого материала в магнитном поле.Для недисперсионных материалов эта же энергия высвобождается при разрушении магнитного поля. Следовательно, эту энергию можно смоделировать как «хранящуюся» в магнитном поле.

Магнитное поле, создаваемое соленоидом : Магнитное поле, создаваемое соленоидом (вид в разрезе), описанное с использованием силовых линий. Энергия «хранится» в магнитном поле.

Энергия, запасенная в магнитном поле

Для линейных недисперсионных материалов (таких, что B = μ H, где μ, называемая проницаемостью, не зависит от частоты), плотность энергии составляет:

[латекс] \ text {u} = \ frac {\ mathbf {\ text {B}} \ cdot \ mathbf {\ text {B}}} {2 \ mu} = \ frac {\ mu \ mathbf {\ text {H}} \ cdot \ mathbf {\ text {H}}} {2} [/ latex].

Плотность энергии — это количество энергии, хранящейся в данной системе или области пространства на единицу объема. Если поблизости нет магнитных материалов, μ можно заменить на μ 0 . Однако приведенное выше уравнение нельзя использовать для нелинейных материалов; необходимо использовать более общее выражение (приведенное ниже).

В общем, дополнительная работа на единицу объема δW , необходимая для того, чтобы вызвать небольшое изменение магнитного поля δ B, составляет:

[латекс] \ delta \ text {W} = \ mathbf {\ text {H}} \ cdot \ delta \ mathbf {\ text {B}} [/ latex].

Когда связь между H и B известна, это уравнение используется для определения работы, необходимой для достижения заданного магнитного состояния. Для гистерезисных материалов, таких как ферромагнетики и сверхпроводники, необходимая работа также зависит от того, как создается магнитное поле. Однако для линейных недисперсионных материалов общее уравнение приводит непосредственно к более простому уравнению плотности энергии, приведенному выше.

Энергия, запасенная в поле соленоида

Энергия, запасаемая индуктором, равна количеству работы, необходимой для установления тока через индуктор и, следовательно, магнитного поля.2 [/ латекс].

Трансформаторы

Трансформаторы преобразуют напряжения из одного значения в другое; его функция определяется уравнением трансформатора.

Цели обучения

Примените уравнение трансформатора для сравнения вторичного и первичного напряжений

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Трансформаторы часто используются в нескольких точках систем распределения электроэнергии, а также во многих бытовых адаптерах питания.
  • Уравнение
  • трансформатора утверждает, что отношение вторичного напряжения к первичному в трансформаторе равно отношению количества витков в их катушках: [латекс] \ frac {\ text {V} _ \ text {s}} {\ text { V} _ \ text {p}} = \ frac {\ text {N} _ \ text {s}} {\ text {N} _ \ text {p}} [/ latex].
  • Если предположить, что сопротивление незначительно, выходная электрическая мощность трансформатора равна его входной. Это приводит нас к другому полезному вопросу: [latex] \ frac {\ text {I} _ \ text {s}} {\ text {I} _ \ text {p}} = \ frac {\ text {N} _ \ текст {p}} {\ text {N} _ \ text {s}} [/ latex]. Если напряжение увеличивается, ток уменьшается. И наоборот, если напряжение уменьшается, ток увеличивается.
Ключевые термины
  • магнитный поток : мера силы магнитного поля в заданной области.
  • Закон индукции Фарадея : основной закон электромагнетизма, который предсказывает, как магнитное поле будет взаимодействовать с электрической цепью, создавая электродвижущую силу (ЭДС).

Трансформаторы изменяют напряжение с одного значения на другое. Например, такие устройства, как сотовые телефоны, ноутбуки, видеоигры, электроинструменты и небольшая бытовая техника, имеют трансформатор (встроенный в их съемный блок), который преобразует 120 В в напряжение, соответствующее устройству.Трансформаторы также используются в нескольких точках в системах распределения электроэнергии, как показано на рисунке. Мощность передается на большие расстояния при высоком напряжении, поскольку для данного количества мощности требуется меньший ток (это означает меньшие потери в линии). Поскольку высокое напряжение представляет большую опасность, трансформаторы используются для получения более низкого напряжения в месте нахождения пользователя.

Настройка трансформатора : Трансформаторы изменяют напряжение в нескольких точках в системе распределения электроэнергии. Электроэнергия обычно вырабатывается при напряжении более 10 кВ и передается на большие расстояния при напряжениях более 200 кВ, иногда даже до 700 кВ, для ограничения потерь энергии.Распределение электроэнергии по районам или промышленным предприятиям осуществляется через подстанцию ​​и передается на короткие расстояния с напряжением от 5 до 13 кВ. Оно снижено до 120, 240 или 480 В для безопасности на месте отдельного пользователя.

Тип трансформатора, рассматриваемого здесь, основан на законе индукции Фарадея и очень похож по конструкции на устройство, которое Фарадей использовал для демонстрации того, что магнитные поля могут создавать токи (показано на рисунке). Две катушки называются первичной и вторичной катушками.При нормальном использовании входное напряжение подается на первичную обмотку, а вторичная обмотка создает преобразованное выходное напряжение. Мало того, что железный сердечник улавливает магнитное поле, создаваемое первичной катушкой, его намагниченность увеличивает напряженность поля. Поскольку входное напряжение переменного тока, изменяющийся во времени магнитный поток направляется во вторичную обмотку, вызывая ее выходное переменное напряжение.

Простой трансформатор : Типичная конструкция простого трансформатора имеет две катушки, намотанные на ферромагнитный сердечник, ламинированный для минимизации вихревых токов.Магнитное поле, создаваемое первичной обмоткой, в основном ограничивается и увеличивается сердечником, который передает его вторичной обмотке. Любое изменение тока в первичной обмотке вызывает ток во вторичной обмотке. На рисунке показан простой трансформатор с двумя катушками, намотанными с обеих сторон многослойного ферромагнитного сердечника. Набор катушек на левой стороне сердечника обозначен как первичный, и его номер указан как N p. Напряжение на первичной обмотке равно V p. Набор катушек на правой стороне сердечника обозначен как вторичный, и его номер представлен как N s.Напряжение на вторичной обмотке равно В с. Символ трансформатора также показан под диаграммой. Он состоит из двух катушек индуктивности, разделенных двумя равными параллельными линиями, представляющими сердечник.

Уравнение трансформатора

Для простого трансформатора, показанного на, выходное напряжение V s почти полностью зависит от входного напряжения V p и соотношения количества петель в первичной и вторичной катушках. Закон индукции Фарадея для вторичной обмотки дает ее индуцированное выходное напряжение V с как:

[латекс] \ text {V} _ \ text {s} = — \ text {N} _ \ text {s} \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta \ text {t}} [/ latex],

, где N s — количество витков вторичной катушки, а Δ / Δt — скорость изменения магнитного потока.Обратите внимание, что выходное напряжение равно индуцированной ЭДС (В с = ЭДС с ), при условии, что сопротивление катушки невелико. Площадь поперечного сечения катушек одинакова с обеих сторон, как и напряженность магнитного поля, поэтому / Δt одинаково с обеих сторон. Входное первичное напряжение V p также связано с изменением магнитного потока:

[латекс] \ text {V} _ \ text {p} = — \ text {N} _ \ text {p} \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta \ text {t}} [/ latex].

Соотношение этих двух последних уравнений дает полезное соотношение:

[латекс] \ frac {\ text {V} _ \ text {s}} {\ text {V} _ \ text {p}} = \ frac {\ text {N} _ \ text {s}} {\ текст {N} _ \ text {p}} [/ latex].

Это известно как уравнение трансформатора , которое просто утверждает, что отношение вторичного напряжения к первичному в трансформаторе равно отношению количества контуров в их катушках. Выходное напряжение трансформатора может быть меньше, больше или равно входному напряжению, в зависимости от соотношения количества витков в их катушках. Некоторые трансформаторы даже обеспечивают переменный выход, позволяя выполнять подключение в разных точках вторичной обмотки.Повышающий трансформатор — это трансформатор, который увеличивает напряжение, тогда как понижающий трансформатор снижает напряжение.

Если предположить, что сопротивление незначительно, выходная электрическая мощность трансформатора равна его входной. Уравнивание входной и выходной мощности,

[латекс] \ text {P} _ \ text {p} = \ text {I} _ \ text {p} \ text {V} _ \ text {p} = \ text {I} _ \ text {s} \ text {V} _ \ text {s} = \ text {P} _ \ text {s} [/ latex].

Комбинируя эти результаты с уравнением трансформатора, находим:

[латекс] \ frac {\ text {I} _ \ text {s}} {\ text {I} _ \ text {p}} = \ frac {\ text {N} _ \ text {p}} {\ текст {N} _ \ text {s}} [/ latex].

Значит, если напряжение увеличивается, ток уменьшается. И наоборот, если напряжение уменьшается, ток увеличивается.

Первичная обмотка

— обзор

Синусоидальная волна

Используя трансформатор с 120 В на 12 В со шнуром питания, припаянным к его первичной обмотке, убедитесь, что неизолированные металлические концы вторичных проводов не соприкасаются друг с другом, а затем Подсоедините два желтых провода к тестовой клемме (крючку) кабеля BNC и к клемме «крокодил» (заземление). Поскольку это будет эксперимент на переменном токе, и поскольку вторичная обмотка трансформатора не заземлена, любой желтый провод можно подключить к заземлению осциллографа.Вставьте шнур питания трансформатора в розетку (желательно через прерыватель замыкания на землю).

На экране появится часть синусоидальной волны. Регулировка TIME / DIV имеет ручку точной настройки, обозначенную VARIABLE, и ее можно вращать влево до тех пор, пока синусоида не будет сформирована, как показано на рис. 8.3 на предыдущей странице. Маленькая ручка VARIABLE, установленная в середине большой ручки VOLTS / DIV, также может вращаться, пока высота волны не уменьшится до уровня лучшей видимости.

Фиг.8.3. Синусоидальная волна на экране осциллографа.

Полный «цикл», как показано на рис. 8.3, занимает 17 миллисекунд («мс»), то есть 60 циклов в секунду («cps»). Вместо использования старого термина cps в современных публикациях используется термин «герц», сокращенно «Гц», что означает «частота» в циклах в секунду. (Во многих европейских странах стандартное напряжение переменного тока составляет 240 В с частотой 50 Гц.)

Если есть кнопка TRIGGER SLOPE, измените ее положение. Будет видно, как синусоида перевернулась вверх ногами.«Триггер» — это функция, которая запускает движение яркого пятна в определенное время, в данном случае всякий раз, когда напряжение в линии питания начинает двигаться с нуля. Если кнопка была установлена ​​ранее в положение +, то точка начинала двигаться при обнаружении положительного напряжения. При изменении положения кнопки точка начинает двигаться при противоположном входном напряжении. Теперь поверните ручку TRIGGER LEVEL вправо, а затем влево. Синусоидальная волна движется горизонтально, потому что начало движения точки (то есть срабатывания) было установлено при более высоком или более низком напряжении.

Теперь измените TRIGGER MODE с AUTO (автоматический) на NORM (нормальный) и измените TRIGGER SOURCE с LINE (линия питания переменного тока 120 В) на VERT (вертикальный вход, который в данном случае — Ch3 / Y). Это освобождает «триггер» для дополнительных настроек вместо автоматической привязки к синхронизации линии питания переменного тока. Поверните ручку TRIGGER LEVEL очень немного, пока не появится синусоида. Затем слегка поверните ручку VARIABLE (точная настройка параметра TIME / DIV) до тех пор, пока синусоида не начнет двигаться горизонтально.Вы могли бы повозиться с ручками TRIGGER LEVEL и VARIABLE, чтобы снова вернуть волну в стационарное положение, но это сложно сделать без автоматической регулировки, доступной в режиме «AUTO».

Форма сигнала, отображаемая на осциллографе, вероятно, будет немного искажена по сравнению с идеальной формой, показанной на рис. 8.3. Довольно часто линия электропередачи переменного тока излучает волны неправильной формы, и небольшой трансформатор также может вызывать дополнительные искажения из-за нелинейностей характеристик его железного сердечника, включая «насыщение», которое будет обсуждаться позже в разделе, посвященном магнитным усилителям.

Отсоедините крючок коаксиального кабеля BNC от трансформатора, а затем выньте вилку силового кабеля трансформатора. Обратите внимание, что сначала отключается кабель, чтобы индуктивный толчок (глава 1) не повредил осциллограф. (В большинстве случаев, вероятно, не будет никаких повреждений, но это зависит от того, как быстро выдергивают вилку.)

Трансформаторы


Общая информация

Нет ничего лучше, чем найти подходящую интуитивно понятную модель для что-нибудь.Интуиция настолько быстра, если вы можете удержаться от плохой интуиции.

Теоретические модели трансформера

На основе [2]

На вопросы о трансформаторах часто легче ответить, если вы рассматриваете эквивалентную схему «t». Вы теряете понятие изоляции с эквивалентом «t», но вы можете вернуть его притворяясь, что существует идеальный трансформер, связанный между «т» и нагрузка. Вы также можете указать коэффициент поворотов в идеальный трансформатор, если хотите, так что все значения такие, как видно по первичному.

Пример «t» эквивалентной схемы

Вот эквивалентная схема «t» для звука 1: 1. разделительный трансформатор (рассчитан на нагрузку 300 Ом):

 ------ R1 --- L1 ----- + ---- L2 ---- R2 ------
  Первичный | Вторичный
  Сторона Lm Сторона
                             |
           ------------------ + ------------------
 

  • R1, R2 = сопротивление первичной и вторичной обмоток (медь).Обычно около 50 Ом. Не обязательно равны.
  • L1, L2 = первичная и вторичная индуктивности рассеяния. Около 5 мГн. Не обязательно равны.
  • Lm = взаимная индуктивность, около 2H.

Я назвал Lm взаимной индуктивностью, и это, наверное, не лучший термин, хотя думаю что в 1: 1 взаимная индуктивность примерно такая же как самоиндукция или шунтирующая индуктивность или индуктивность намагничивания или как это лучше всего называется.

Для упрощения вы можете объединить обе индуктивности рассеяния. в одну индуктивность по обе стороны от Lm.

Описание работы модели

Что ж, давайте предположим, что на первичной частоте 1,25 В среднеквадратического значения на частоте 1 кГц. и без нагрузки. Полные 1,25 В появляются на взаимной индуктивности. Таким образом, взаимная индуктивность составляет около 0,1 мА. Это ток, который вызывает магнитный поток в сердечнике. Через индуктивность рассеяния и первичную обмотку проходит 0,1 мА (0,995 мА). сопротивление тоже. Короче через сосредоточенную цепь первичной обмотки.

Теперь пусть будет нагрузка 300 Ом. Напряжение на взаимной индуктивности уменьшено очень незначительно. (не нужно делать сложный анализ).Даже если закоротить вторичный, взаимный ток уменьшается только примерно в два раза.

В приведенной выше схеме аккуратно разделен ток на два пути. В реальном трансформаторе есть только 1 путь проводимости через каждую обмотку. не две, но эта модельная схема ведет себя как настоящая из-за эффект отмены.

Эффект компенсации магнитного потока

Но сколько тока проходит через первичную обмотку?
Ответ: 0,1 мА + 4,2 мА.Почему этот ток не увеличивает поток в сердечнике? Потому что ток во вторичной обмотке отменяет ее эффект. Энергия идет в нагрузку, а не в феррит, потому что два магнитных поля, противодействующие друг другу, нейтрализуются. Это принципиально то, что подразумевается под линейностью электромагнитных уравнений. Конечно в ближних полях обмоток это не так, что легко увидеть, просто нарисовав замкнутая кривая по окружности витков провода в одном месте. Направленный интеграл B-поля вокруг кривой должен быть равен пропорционально току внутри.Но в основной части поля делать отменить. Вы можете думать об этом как о вздрагивании, если хотите, но эффект холла зонд, вставленный в центр, будет считывать очень слабое поле из-за почти полная отмена. Интеграл от запасенной энергии в магнитном интеграл поля (B, точка H) по всему пространству будет намного меньше, чем интегральный для токов только в одной обмотке или в другой, но не в обеих одновременно.

Неизбежный намагничивающий поток присутствует в любом трансформатор, и первичный ток намагничивающего потока.Конечно, это ток проходит через индуктивность первичной обмотки и составляет +90 градусов по шкале WRT. напряжение и напрямую не потребляет никакой энергии. Однако этот ток вызывает потери в сопротивлении первичной обмотки. Величина магнитного потока определяется напряжением и частотой на первичной обмотке, а не по току нагрузки (если есть).

Помните основную формулу трансформатора переменного тока: V = k f N Ac Bm, который говорит нам, какой поток присутствует для любого напряжения а частота? Это формула, используемая для определения Bmax, поэтому мы можем быть уверены сердечник трансформатора не слишком близок к насыщению, что приведет к еще больше потерь.Обратите внимание, что в формуле нет термина для тока нагрузки.

Трансформатор тока короткого замыкания

Только индуктивность рассеяния ограничивает ток во время короткого замыкания. Кажется, что ток через первичную обмотку ограничен сопротивление обмотки и сопротивление утечке при коротком замыкании вторичной обмотки.

Падение вторичного напряжения

Поле в сердечнике трансформатора фактически немного УМЕНЬШАЕТСЯ, когда трансформатор загружен. Это связано с тем, что эффективное первичное напряжение уменьшается на (первичный ток * сопротивление первичной обмотки):

Vs = IpRp + BA [омега] Np

где:

  • Б р.м.с (непиковая) индукция
  • А — площадь поперечного сечения жилы
  • [омега] — это 2 [пи] ф, конечно
  • Np — количество витков.

Другие модели для трансформаторов

А как насчет изоляции?

Настоящий трансформатор обеспечивает изоляцию между входом и выходом. Модель выше не показывает изоляцию, но ее достаточно для большая часть анализа. Где в модели нужна изоляция можно сделать вид, что между буквой «т» и нагрузка, как на картинке ниже:

 1: N идеальный трансформатор
            ------ R1 --- L1 ----- + ---- L2 ---- R2 ----- o o -----
   Первичный | 0 || Вторичный
   Сторона Lm 0 || 0 Сторона
                              | 0 ||
            ------------------ + ----------------- о о -----
 

Одна модель для идеального трансформатора с изоляцией

Эта модель отображает трансформаторы интуитивно, как мы их чаще всего думаем:

 -> Ip ----- R1 --- L1 --- + ---,, --- L2 ---- R2 ------ Is ->
   Первичный | О || / Среднее
   Сторона, Vp Lm O || O Сторона, Vs
                        | О || \
         --------------- + --- '' -----------------
            идеальное намагничивание
             трансформатор индуктивности
 
Lm — требуемая индуктивность намагничивания. 2).

Технические характеристики трансформатора

На основе [2]

Что касается того, как мы это решаем, в одном случае, который имеет большое значение мне мы указываем общие детали обмотки, диапазон для R1 и R2, максимальные значения для L1 + L2 || Lm (измеренные от первичного с закороченной вторичной обмоткой) и L2 + L1 || Lm (измеряется от вторичная обмотка с замкнутой первичной), минимальные значения для L1 + Lm (измеряется от первичной обмотки при открытой вторичной) и L2 + Lm. Продавец может выбрать количество витков (одинаково для вторичного и первичный), проволока и начинает играть с пластинами (смесь кремнистой стали и высоконикелевой стали).Затем при входящем осмотре, мы все это измеряем. На данный момент у нас есть четыре измерения определение 3 вещей (L1, L2, Lm), поэтому, даже если соотношение витков составляет 1: 1, Я притворяюсь, что соотношение оборотов равно 1: n, что дает мне 4 переменных и четыре уравнения, и я решаю весь беспорядок.

Фаза

если ты сильно нагружайте трансформатор резистивной нагрузкой, чтобы потребляемый ток большой по сравнению с током холостого хода. Вы найдете токи и напряжения синфазны. Они должны перейти в фазу, потому что при сдвиге фазы 90 между током и напряжением нет передачи полезной мощности (в среднем за один цикл имеет место).Как вам хорошо известно, электроэнергетические компании прилагают много усилий, чтобы поддерживать актуальность. и напряжение в фазе (следовательно, коэффициент мощности).

Верно, что наклон синусоиды как для тока, так и для напряжения равен максимум при переходах через ноль. Я вижу, как это в сочетании с V = LdI / dt Создается впечатление, что ток и напряжение должны быть на 90 не в фазе. НО. Это происходит только с ненагруженным трансформатором, который выглядит как индуктор. Для резистивно нагруженного трансформатора вы уменьшите фазу угол уменьшается с увеличением нагрузки.Вам легко попробовать, сделайте это!

Причина этого в том, что мы действительно можем (просто) применить закон Ампера. по контуру, охватывающему половину каждой обмотки. В той ситуации, если вы рассмотрите Vprimary и d (N * Iprimary — I secondary) / dt вы придумаете ситуация, которую вы описали, где разница этих токов и напряжения сдвинуты по фазе на 90 градусов. НО, (N * Iprimary-Isecondary) намного меньше, чем Iprimary (порядок 1%) для сильно нагруженного трансформатора.В этой ситуации доминируют (самые большие) токи компонентов могут быть синфазными и обычно таковыми являются.

Например, возьмем ненагруженный трансформатор 1: 1, который потребляет 10 мА во включенном состоянии. загружен. Назовем этот ток I начальным. Смещение по фазе тока и напряжения на 90. Но если мы добавим 1 ампер к Iпервоначально одновременно добавляя 1А к вторичному вторичному проводу в фазе с напряжением и друг друга (или 180 градусов в зависимости от полярности трансформатора соглашение), то d (Iprimary-Isecondary / 1) / dt не меняется, это все еще просто незагруженный текущий Iinitial.Однако, если мы посмотрим на полный первичный ток трансформатора, Iprimary + Iinitial = 1cos (wt) +. 01sin (wt), то он почти идеально совпадает по фазе при напряжении Vcos (wt)

Обратите внимание, что токи не обязательно должны совпадать по фазе, если мы загружаем трансформатор. выход с большим конденсатором или маленькой катушкой индуктивности, намного большие токи будут потока, но фаза первичного тока изменится соответственно.

Если входное напряжение и токи не совпадают по фазе на 90 градусов, нет. подается питание. Если входное и выходное напряжение на 90 градусов не совпадают по фазе, тогда все, о чем все узнали трансформаторы совершенно не так.2 * Rload. Вход мощность может быть рассчитана из Vp * Ip. Для идеального трансформатора эти два числа равны. Если между ними есть разность фаз, то это не может быть правдой. Булавка = Надуться! Not Pout = Pin * cos (theta).

Определения из учебников для идеальных трансформаторов:

 Vs = Vp * (Ns / Np)
Ip = Is * (Ns / Np)
Штифт = Надутый
 
Мне кажется совершенно очевидным, что разницы фаз быть не может. (по крайней мере, для идеального трансформатора).

Измерения трансформатора

На основе [2]

Измерение кривой B-H

Вы можете легко отобразить кривую B-H трансформатора на осциллографе, который может отображать X-Y всего с парой компонентов.Обогреватель трансформатор (Для тех, кто помнит вентили — или трубки, как местные жители скажем) используется в обратном направлении работает хорошо. Подайте на него 6,3 В переменного тока от другого аналогичный трансформатор.

R2 определяет ток в первичной обмотке (сила намагничивания) — он должен должен быть выбран, чтобы дать пару вольт для оси X дисплея — несколько Ом.

R1 и C1 действуют как грубый интегратор, поскольку напряжение на вторичный из трансформатор пропорционален скорости изменения магнитного поля а не само поле.Выберите R1, чтобы получить незначительную нагрузку на трансформатор. (это может быть 100 K) и C1 так, чтобы напряжение на нем было менее 5% от напряжения на вторичный трансформатора.

 R1
-------- ---- / \ / \ / \ - | - Ввод области Y
        ) || (|
        ) || (240/120 = C1
 6.3v) || (|
        ) || (____________ | ___ Область действия
        |
        | _________ Объем X ввод
        |
        \
        /
        \ R2
        /
        |
------------------ Заземление прицела
 
Например, вы можете использовать резистор 100 кОм и конденсатор 3 мкФ для этой схемы.

Другие идеи измерения трансформаторов

Вот несколько основных измерений, чтобы узнать большинство параметров трансфромера:

  • 1. Сопротивление обмоток Pri / Sec можно измерить напрямую с помощью мультиметра.
  • 2. Измерьте вторичное напряжение холостого хода при некотором известном первичном напряжении. чтобы получить коэффициент трансформации.
  • 3. Замкните вторичную обмотку с помощью амперметра и нанесите график V-первичной обмотки на I-вторичную. (Осциллограф на амперметре может быть удобен для проверки формы волны в секундах, так, на всякий случай.2) ——- + | | | E (t) Rl | | О —————————————- + Напряжение холостого хода на моем трансформаторе показывает Ns / Np = 8,5. Другие измеренные значения:
     Rp = 144,5 Ом
    Rs = 2,13 Ом
    E (t) = 14.2 = 2, что согласуется с Rs = 2,13 для
    хорошо продуманный трансформатор. У первичной обмотки должно быть чуть больше обмотки.
    площадь, чем вторичная.
     

    Измеренное реактивное сопротивление утечки (3 мГн) немного выше, но не лишено смысла для многослойного трансформатора. Это слишком высоко для хорошо спроектированного тороида. Во всяком случае в измерениях, таких как точность измерений необходимо принять во внимание.

    Форма волны тока должна быть в разумной степени близкой к синусоидальный в обоих тестах, в отличие от первичного тока холостого хода.

    Конструкция и выбор трансформатора для приложений

    Выбор типа сердечника трансформатора

    ТОРОИДЫ в сравнении с ПРЕИМУЩЕСТВАМИ E-CORES
    Тороиды:
    • Более компактный, чем конструкция с сердечником E
    • Стоимость материалов ниже за счет однокомпонентной
    • Более тугая магнитная муфта - уменьшение рассеяния паразитного потока
    Электронные сердечники:
    • Проще автоматизировать процесс намотки
    • Может крепиться шпильками на шпульки
    • Упростить электрическую изоляцию нескольких обмоток
    • Ядро можно легко закрыть для увеличения емкости хранения энергии

    Принципы проектирования силовых трансформаторов

    На основе [1]

    Я подозревал, что для экономии железа и веса большая часть мощности трансформаторы предназначены для работы на грани насыщения, следовательно, весь ад может вырваться (по крайней мере, трансформатор слышит больше) когда вы берете продукт, рассчитанный на работу с частотой 60 Гц, и включаете его с частотой 50 Гц.

    Проектирование силового трансформатора требует особой осторожности, если требуется оптимизация конструкции. нужный. Получить общий вид конструкции силового трансформатора Я предлагаю вам несколько подходящих расчетных уравнений для мощности 50 Гц. трансформатор с использованием ламинированного железа трансформатор E-core:

     витков первичной обмотки = 45 * напряжение первичной обмотки / площадь жилы
    
    вторичные витки = 48 * вторичное напряжение / площадь жилы
    
    площадь ядра = 1,1 * sqrt (P)
     
    Где:
    • площадь сердечника = площадь поперечного сечения сердечника, проходящего через катушку, в квадратных сантиметрах
    • первичное напряжение = напряжение переменного тока, подаваемое на первичную обмотку, в вольтах
    • вторичное напряжение = желаемое переменное напряжение на вторичной обмотке в вольтах
    • P = мощность трансформатора
    Вторичной обмотке требуется немного больше витков на напряжение потому что внутри сердечника трансформатора всегда есть какие-то потери и катушечный провод.Дополнительные витки на вторичной обмотке компенсировали часть этих потерь.

    Провода в первичной и вторичной обмотках должны иметь размер в соответствии с допустимые перепады напряжения и нагрев внутри трансформатора. Как эмпирическое правило не пытайтесь протолкнуть ток более 2,5 ампер на квадратный миллиметр проволоки в катушках внутри трансформатора.

    Размер сердечника трансформатора необходимо определять исходя из полная мощность трансформатора. Площадь сердечника (как использовано в уравнении выше) должен иметь, по крайней мере, значение согласно следующему уравнению (можно больше):

     площадь жилы = sqrt (мощность трансформатора в ваттах)
     

    Вот таблица размеров проводов на разные токи, подходящие для силовые трансформаторы:

     Ток Диаметр проволоки
    (мА) (мм)
    
    10 0,05
    25 0,13
    50 0,17
    100 0,25
    300 0,37
    500 0,48
    1000 0,7
    3000 1,2
    5000 1,54
    10000 2,24
     
    Если вы сделаете трансформатор, используя эти уравнения, вы тщательно продумаете проверьте его перед подключением к электросети.Обычно в наши дни Хорошая идея купить сетевой трансформатор в готовом виде и сделать так, чтобы убедитесь, что вы получаете продукт, безопасный в использовании (заполняет все правила техники безопасности).

    Трансформаторы низкочастотные

    На основе [1]

    Общие формулы

    Для низкочастотных трансформаторов малой мощности обычно можно определить, что Коэффициент передачи определяет коэффициент передачи напряжения. Для данного импеданса цепи вам необходимо определить минимальное сопротивление для определенного обмотка трансформатора по следующей формуле:

     L = Z / (2 * пи * f)
     
    Где:
    • L = индуктивность первичной катушки (вторичная обрыв цепи)
    • Z = полное сопротивление цепи
    • пи = 3.14159
    • f = самая низкая частота, на которой трансформатор должен работать
    Это рекомендуемое значение импеданса. Импеданс катушки может быть выше значения определяется уравнениями. Использование слишком высокой индуктивности обычно не вызывает особых проблем, но в целом это не очень хорошая идея, потому что по многим практическим причинам (более длинная первичная обмотка, большее сопротивление, большая емкость, вероятно, по этим причинам плохая ВЧ-характеристика и т. д.).

    Фактическое количество витков, необходимое для получения необходимой индуктивности. зависит от модели сердечника трансформатора и магнитного материала использовал это.Проконсультируйтесь с описанием материала катушки, который вы используете для получения более подробной информации или это. Другой вариант - сначала Проведите один тестовый кул и измерьте его. Использование измерения результатов вы можете определить, сколько поворотов необходимо для удельная индуктивность. Общая приблизительная формула индуктивности (для катушек с сердечниками) пригодится для этого:

     L = N * N * a
     
    Где:
    • L = индуктивность
    • N = количество витков
    • a = постоянное значение (определите значение по данным сердечника катушки или измерьте его с помощью тестовой катушки)

    Если вы используете железный сердечник и вам нужно перенести мощность вы можете определить необходимый размер сердечника по формуле:

     Afe = sqrt (P / (Bmax * S * f))
     
    Где:
    • Afe = площадь ядра (см ^ 2)
    • P = максимальная передаваемая мощность
    • Bmax = максимальный магнитный поток в сердечнике (Vs / m ^ 2) (обычно 4000 G = 0.2)
    • L1 = индуктивность первичной обмотки (Гн)
    • l = средняя длина силовых линий магнитного потока (см) (длина линии вокруг катушки, проходящей внутри сердечника)
    • u = относительная проницаемость магнитного материала (около 500 для типичного трансформаторного железа)

    Вы можете определить количество витков вторичной катушки используя следующую формулу (ожидаемый КПД трансформатора составляет 90%):

     N2 = 1,1 * U2 / U1 = 1,1 * sqrt (Z2 / Z1) =
     
    Где:
    • N1 = количество витков в первичной обмотке
    • N2 = количество витков вторичной обмотки
    • U1 = первичное напряжение
    • U2 = вторичное напряжение
    • Z1 = полное сопротивление первичной обмотки
    • Z2 = вторичный импеданс
    Для оптимальной работы трансформатора сопротивление катушек следует держать как можно ниже.Это означает, что вы должны использовать как толстая проволока как можно. При выборе размера провода не забудьте оставить 30-50% объема змеевика на изоляцию.
    Трансформаторы с воздушным зазором

    Если в первичной обмотке трансформатора протекает постоянный ток, индуктивность первичной обмотки снижена. Чтобы компенсировать эффект этого (в схемах, где это проблема) ядро в сердечнике должен быть небольшой воздушный зазор. На практике воздушный зазор должен быть выбран примерно 1/1000 длины. магнитных линий в сердечнике.2)

  • L1 = индуктивность первичной обмотки (Гн)
  • li = размер воздушного зазора (мм)
Обратите внимание, что эта формула дает гораздо большее количество поворотов. для первичной обмотки, чем уравнение для трансформатора без воздушный зазор. Остальные расчеты для трансформаторов выполнен как с трансформатором без воздушного зазора.

Импульсные трансформаторы

На основе [4]

Выбор трансформатора согласования импеданса

Согласование необходимо для обеспечения максимальной передачи мощности от источник к нагрузке.Соответствующее условие существует, когда:

 N = N2 / N1 = sqrt (Zl / Zs)
 
Где:
  • N = передаточное число между первичной и вторичной обмотками
  • N1 = количество витков в первичной обмотке
  • N2 = количество витков во вторичной обмотке
  • Zs = сопротивление источника сигнала
  • Zl = сопротивление нагрузки трансформатора
В реальном мире согласующий трансформатор будет иметь собственный шунт. сопротивление источнику. Величина этого импеданса будет зависеть от индуктивность первичной обмотки и рабочая частота.Это должно быть большим по сравнению с исходным сопротивлением. Коэффициент безопасности 5 должно хватить для большинства приложений. Так что подходящий значение индуктивности первичной обмотки можно рассчитать с помощью следующая формула:
 Lp = 5 * Zs / (2 * pi * fmin)
 
Где:
  • Lp = первичная индуктивность
  • Zs = полное сопротивление источника
  • fmin = минимальная частота, необходимая для передачи через трансформатор
  • пи = 3,14159
Если выбрана слишком высокая первичная индуктивность, паразитный компоненты (шунтирующая емкость, индуктивность утечки и т. д.) сговориться снизить высокочастотные характеристики схемы.
Порядок выбора импульсных согласующих трансформаторов

При выборе трансформатор. Имеется максимальная площадь импульса, которую может использовать данный трансформатор. может передавать. Это известно как постоянная Et. Следующие формулы описывают, как это можно оценить из известная форма импульса

 Et = Vp * tpw

  Lp = R * tpw / Ln (I - D)

  D = дельта / Vp = 1 - exp (-R * tt / Lp)

  0 
Где:
 
  • tpw = наихудшая (максимальная) ширина передаваемого импульса
  • Vp = импульсное напряжение (напряжение сверху вниз)
  • дельта = насколько разрешено падение верхней границы импульса
  • tt = время, в течение которого активна вершина импульса (tpw - начальная и конечная крутизны)
  • D = понижение (обычно 10 и допустимо)
  • R = параллельная комбинация импеданса источника и отраженной нагрузки (для согласованного случая это половина импеданса источника)
Стоит отметить, что если нельзя установить верхний предел длительности импульса (tpw) то в этом приложении нельзя будет использовать трансформатор потому что трансформаторы не работают с постоянным током.Если выбрана слишком высокая постоянная Et, то полная ширина импульса не будет передается, и трансформатор вызовет чрезмерную нагрузку из-за насыщенности. И наоборот, слишком высокая константа Et принесет сопутствующие высокие паразитные емкости и индуктивности что приведет к плохому времени нарастания сигнала.

Другое искажение, которое следует проверить, - это спад. Спад относительно времени импульса, первичный индуктивность и системные сопротивления. Если иначе указанное понижение на 10% обычно допустимо.И здесь чрезмерная индуктивность приводит к тому, что паразиты и их сопутствующие проблемы.

Из предыдущего описания мы можем предложить стратегию что должно позволить нам выбрать правильные компоненты в большинство приложений.

  • 1. Определите полное сопротивление системы Zs и Zl.
  • 2. Определите минимальную рабочую частоту (fmin)
  • 3. Определите максимальную ширину импульса (tpw) и напряжение (Vp)
  • 4. Рассчитайте коэффициент поворотов по формуле: N = sqrt (Zl / Zs)
  • 5.Рассчитайте минимальную индуктивность первичной обмотки по формуле: Lp (min) = 2,5 * Zs / (2 * pi * fmin)
  • 6. Рассчитайте минимальную константу Et по формуле Et (min) = Vp * tpw
  • 7. Убедитесь, что падение допустимо (предположительно <10%): D = 1 - exp (-Zs * tpw / (2 * Lp))
  • 8. Если спад недопустим, пересчитайте Lp из: Lp = - Zs * tpw / (2 * Lp)
  • 9. Выберите устройство, которое соответствует указанным выше характеристикам с наименьшими значениями индуктивности рассеяния и межобмоточной емкости.

Приближения, сделанные в формулах, говорят о том, что стратегия имеет свои ограничения но ошибки обычно незначительны.

Трансформаторы для тиристорных приводов

Трансформаторы используются в тиристорных приводах для изоляции схема управления и преобразование напряжения / тока. Для тиристора для включения затвор должен находиться в высоком состоянии до тех пор, пока ток в тиристоре не превысит удерживающий ток устройства. Это время зависит от самого устройства и нагрузочные характеристики. Резистивная нагрузка будет иметь быстрый рост тока. время и, следовательно, требуют более узкого импульса, чем индуктивная нагрузка.К сожалению, большинство приложений предназначены для моторных приводов, и это Часто бывает трудно определить цифру для максимальной длительности импульса.

Также важно следить за тем, чтобы тиристор не включался слишком медленно. Это приводит к локальным «горячим точкам» в устройстве и преждевременному выходу из строя устройства. Это требование означает, что трансформатор должен иметь минимальную утечку. индуктивность по возможности.

Для приложений, где используются методы широтно-импульсной модуляции (ШИМ). быть трудоустроенным следует помнить, что это очень сложно, если не невозможно, работать импульсные трансформаторы и более того на 60% метка: пространственный коэффициент.Причина этого в том, что трансформатору требуется время для сброса. между импульсами.

Подробная информация об использовании трансформаторов в конструкциях электроники

На основе [2]

Низкое искажение сигнала

Да, при использовании необходимо остерегаться искажения изгиба низа. трансформаторы с кремний-железным сердечником для аудиоприложений за пределами их технические характеристики. В обычном случае используется слишком большой трансформатор, так что индукция при низких уровнях сигнала минимальна.Это также может произойти с никель-железные сердечники, но действительно только при очень низкой индукции.

Когда студенты впервые знакомятся с кривой гистерезиса, S-образная Обычно сначала рисуется «начальная кривая намагничивания», а затем петля BH. После этого S-образная форма исходной кривой забывается, но это нижний изгиб все еще там, ждет, чтобы укусить вас!

Что касается линейности кривой при низкой интенсивности, все мы знаем, что кривая B-H сглаживается вверху, но я думаю, вы обнаружите, что вокруг есть сплющивание происхождение тоже.

Например, это может произойти, когда вы уменьшили первичный сигнал на 80 дБ, вторичный сигнал может быть уменьшен, например, уменьшен на 81 дБ. Т Действительно, кривая ЧД имеет уплощение около нуля. Эту проблему можно уменьшить, используя воздушный зазор правильного размера в сердечнике трансформатора, что позволяет получить, например, линейность более 80 дБ.

Информация о трансформаторах, используемых в импульсных источниках питания

Выходное напряжение высокочастотного трансформатора имеет тот же сигнал (не обязательно напряжение), что и входной сигнал (утечка и т. д. игнорируется).Фактически вторичный ток может быть «ощутимым» или измеренным от первичной обмотки, как это обычно бывает для системы управления режимом тока или даже схемы регулятора режима напряжения с защитой от перегрузки. Вторичный напряжение и ток полностью совпадают по фазе с первичным напряжением и Текущий.

Ниже приведены типичные волны напряжения и тока, которые, как я надеюсь, понятны. для двухфазного прямого преобразователя SMPS:

                 | ------- | | ------
                 | | |
Пвольц --- | | --- | | --- |
                             | |
                             | -------- |

                        / | / |
                       / | / |
                      / | / |
                     / | / |
                    / | / | /
                   / | / | /
                  / | / | /
Pcurrent / | / | /
                / | --- / | --- /
 
Вы, несомненно, узнаете форму волны тока индуктора в первичной обмотке. текущая форма волны выше.Все дело в том, что вход формы выходного напряжения и тока полностью совпадают по фазе (без учета утечка L C и т. д. и т. д.).

В чем разница между ламинированным трансформатором и тороидальным трансформатором?

Нет кардинальной разницы между тороидальным трансформатором и трансформатором. обычный трансформатор. Оба работают одинаково. По сути разница только в механической форме трансформатора.

Основное отличие в том, что традиционный трансформатор и Тороидальный трансформатор намотан на другой сердечник трансформатора.Традиционный трансформер обычно использует так называемые "E"-ядра. которые сделаны из стопок железа. В трансформаторе Toroidla использован тороидальный Сердечник трнасформера (форма «О»). горячий сердечник обеспечивает замкнутую магнитную цепь и не теряет магнитный поток в свободное пространство, как если бы это же ядро ​​было в форме стержня. потерянный поток - это потеря энергии, поэтому жаровня обеспечит более высокую индуктивность, более плотная связь, более высокая эффективность и более высокий Q, и так далее. Вся концепция состоит в том, чтобы физически сконцентрировать поток там, где это необходимо.Кроме того, поскольку поток сосредоточен в сердечнике, компоненты, которые могут обычно подвержены влиянию близости индуктора / трансформатора, может быть установлен ближе к жаркому, а жаркий, как правило, будет меньше чем в катушке индуктивности или трансформаторе с сердечником более традиционной формы.

Тороиды обычно изготавливаются из более тонкой полосы кремния более высокого качества. железо, и у них действительно непрерывная магнитная цепь. Это те базовые характеристики, обеспечивающие меньшие потери и близкие к нулю внешнего магнитного поля, которые являются обычными причинами выбора, часто более дорогостоящий, чем трансформатор с многослойным сердечником.

В принципе идеальная тороидальная обмотка не имеет внешнего магнитного поля. и на практике тороидальные трансформаторы имеют более низкие внешние поля, но конструкторы трансформаторов стремятся проектировать тороиды так, чтобы они были ближе к насыщение, которое увеличивает внешнее поле, в значительной степени устраняя преимущество.

Тороиды популярны в усилителях Hi-Fi, потому что они позволяют о слабом внешнем поле и, что гораздо важнее, потому что вес намотанного тороидального трансформатора меньше эквивалентного обычный трансформатор.

«Сплющенный» профиль тороидального трансформатора тоже придает ему больше площадь поверхности на единицу ВА, чем у обычного трансформатора, поэтому он рассеивает больше тепла на единицу повышения температуры, что дизайнеры эксплуатируют их, используя более высокую плотность тока.

Детали силового трансформатора

Когда сердечник трансформатора насыщается, он теряет свои индуктивные характеристики; Тогда ток первичной обмотки может достигать чрезвычайно высоких значений в течение нескольких циклов переменного тока. Поскольку трансформаторы остаются поляризованными при выключении, возникновение насыщения является функцией полярности и фазового угла цикла переменного тока при включении и выключении схемы.

Насыщение сердечника трансформатора может привести к необъяснимому перегоранию предохранителя, отказу системы или преждевременному выходу из строя переключателя и реле. Кроме того, по насыщению трансформатора пусковой ток от источника питания также может быть вызвано импульсом начального заряда фильтрующих конденсаторов.

Используя резистор, устройство броска тока или индуктивный входной фильтр во вторичной обмотке, вы можете уменьшить этот броск броска тока. Другое решение - плавный пуск трансформатора с использованием резистора в первичной обмотке для ограничения пускового тока и тока насыщения до приемлемого уровня.

Источники информации

  • [1] Ханну Миеттинен, Kytnnn Elektroniikkaa, Infopress, 1976
  • [2] Различные новостные статьи Usenet
  • [3] Различные веб-документы
  • [4] Книга примечаний по применению компонентов Newport
  • [5] Интеллектуальный выключатель отключает ток включения трансформатора, EDN 23 апреля 1998 г.

автор: Томи Энгдаль


Руководство по проектированию, строительству и эксплуатации катушек Тесла

Схема катушки Тесла

Конструкция

Это базовая схема катушки Тесла (щелкните изображение, чтобы увеличить).На схеме показан статический разрядник. Если вы используете роторный искровой разрядник, просто замените статический разрядник (проводка такая же). Старые схемы иногда меняют расположение искрового промежутка и первичной катушки. Катушка Тесла будет работать в любой конфигурации, но по некоторым техническим причинам предпочтительна конфигурация, показанная на схеме.

Корпус НСТ должен быть заземлен. Есть некоторые дебаты по поводу правильного основания для NST. Некоторые выступают за подключение к ВЧ-заземлению, другие считают, что его следует подключать к электросети.На схеме я показал переключатель, указывающий, что заземление может быть подключено к любому из них.

Источник питания

Строительство

Трансформаторы с неоновыми вывесками (NST) являются предпочтительными источниками питания. Позже в этом разделе я упомяну о некоторых других типах источников питания. Вам следует выбрать трансформатор, который выдает напряжение не менее 5 кВ, иначе у вас могут возникнуть проблемы с неработающим разрядником.

Твердотельные NST или недавно изготовленные NST, которые включают схему GFCI (прерыватель цепи замыкания на землю), не будут работать в катушке Тесла.

Если NST имеет схему GFCI (также известную как GFI или прерыватель замыкания на землю), он «отключит» или автоматически отключит NST, когда он обнаружит необычный ток на выходе NST. К сожалению, катушки Тесла производят всплески тока, которые часто вызывают отключение цепи GFCI от NST, что делает NST с цепями GFCI ненадежными в катушке Тесла. NST со схемой GFCI обычно имеют кнопку сброса GFCI где-нибудь на корпусе или, возможно, под верхней крышкой. Возможно, удастся перемонтировать и обойти схему GFCI в NST, хотя это может быть очень сложный процесс в зависимости от сложности и местоположения проводки GFCI.Адам Джонсон сообщил, что он может использовать NST с GFCI при использовании с фильтром Терри. Новые, небольшие NST на самом деле являются твердотельными источниками питания, которые обычно не подходят для катушек Тесла. Я настоятельно рекомендую использовать более старый NST для питания вашей катушки Тесла. Хороший NST должен быть очень тяжелым и содержать только первичную обмотку, вторичную обмотку и металлический сердечник (и, возможно, некоторый заливочный материал). Выходная частота должна совпадать с входной частотой (50 или 60 Гц).

Этот материал, защищенный авторскими правами, был незаконно использован без разрешения владельца.Посетите сайт www.teslacoildesign.com, чтобы найти оригинальную и самую последнюю версию этого материала.

NST обычно довольно легко получить, и они довольно надежны при использовании с соответствующей схемой защиты. Бывшие в употреблении NST часто намного дешевле новых. Их можно найти в вывесках и центрах утилизации / утилизации. Обычно они либо работают, либо нет. Чтобы проверить NST, просто подключите его к сети (настенной розетке) и убедитесь, что он будет создавать дуги между выходными клеммами или каждой выходной клеммой в корпусе (при условии, что корпус заземлен).

Если NST умирает, причиной смерти иногда является искрение внутреннего герметизирующего материала. Заливка - это изолятор, обычно твердое, смолистое вещество. NST можно воскресить, сняв верхнюю часть корпуса и нагрея NST над решеткой, чтобы расплавить заливочный материал. Запекать в духовке не рекомендуется из-за токсичных паров и утечки заливочного материала. Как только заливка расплавится, ее можно перемешать, чтобы удалить короткое замыкание, или вылить и заменить трансформаторным маслом. Этот процесс очень запутан и, вероятно, не стоит усилий, если можно найти другой NST.Также возможно использование растворителей для растворения заливочного материала.

NST имеют шунты или металлические пластины между первичной и вторичной обмотками, которые ограничивают ток, даже когда выход закорочен. Ограничение тока делает трансформаторы NST более надежными, чем другие трансформаторы. Шунты можно снять, чтобы обеспечить немного больше тока, но вероятность повреждения обмотки возрастает.

Первичная сторона низкого напряжения NST должна быть подключена через сетевой фильтр, который подключен к сети дома или здания.Колпачок PFC должен быть подключен к первичным клеммам, но NST может работать и без него. Общие выходы мощности NST - 9 кВ, 12 кВ или 15 кВ при 30 мА или 60 мА.

NST могут быть подключены параллельно для подачи дополнительного тока на катушку Тесла. Не пытайтесь соединить их последовательно, дополнительное напряжение закоротит вторичные обмотки и повредит NST. NST с разными выходными токами могут быть подключены параллельно, но если выходные напряжения значительно отличаются (более нескольких вольт), один NST начнет перегреваться.Выполните эту процедуру, чтобы проверить совместимость с NST ...


  • Определите фазу выходов NST, проверив наличие дуги между выходными клеммами NST. Подключение выходной клеммы одного NST к выходной клемме второго NST (оставляя небольшой искровой промежуток). Если вы видите дугу, значит, клеммы не в фазе.
  • Отметьте совпадающие по фазе выходные клеммы. Также отметьте входные клеммы низкого напряжения, поскольку переключение одной из входных клемм переключит фазу выходных клемм.
  • Подключите резистор 1 кОм 1/4 Вт между выходными клеммами, находящимися в фазе.
  • Запустите NST на несколько минут, отключите питание от NST и проверьте, горячий ли резистор.

Если резистор нагревается, значит, через NST проходит слишком большой ток, и их нельзя использовать параллельно.

Могут использоваться и другие трансформаторы, такие как трансформаторы зажигания масляных горелок (OBIT), микроволновые трансформаторы над трансформаторами (MOT) или распределительные трансформаторы, используемые в энергосистеме, часто встречающиеся на телефонных столбах и иногда называемые «полюсными скребками».Энергокомпании иногда выдают свиней, но они очень опасны и тяжелы.

Полюсные свиньи не имеют ограничения по току и легко могут вас убить. Некоторые могут содержать опасные химические вещества, такие как ПХД. Я не рекомендую использовать полюсные свиньи для питания катушки Тесла, если вы действительно не знаете, что делаете!

Другой вариант питания - бомбардирующий трансформатор. Моя информация ограничена, но похоже, что это трансформаторы большой мощности, используемые для изготовления неоновых вывесок.Обычно они работают около 450-800 мА при 22-26 кВ. Они явно очень тяжелые (150-200 фунтов), дорогие, и их трудно найти. Я буду добавлять больше информации по мере того, как узнаю больше.

Первичные конденсаторы (MMC)

Конструкция

Первичный конденсатор используется с первичной катушкой для создания первичной LC-цепи.

Первичный конденсатор обычно состоит из нескольких десятков колпачков, соединенных последовательно / параллельно, и называется мульти-мини-конденсатором (MMC).Можно использовать конденсаторы одноимпульсного типа, но их труднее найти, их нельзя отрегулировать и их сложнее заменить. Кроме того, если MMC выходит из строя, это обычно можно исправить, заменив отдельный конденсатор в массиве, но если импульсный конденсатор выходит из строя, его необходимо заменить.

Могут быть изготовлены и другие типы конденсаторов, в том числе крышки для бутылок с соленой водой, свернутые крышки из алюминиевой фольги и многослойные пластинчатые крышки. Самодельные конденсаторы обычно требуют много работы и часто выходят из строя. Крышки для бутылок с соленой водой неэффективны, и сложно определить, с какой емкостью вы работаете.Сворачивание или складывание крышек со слоями алюминиевой фольги и пластмассовых изоляторов особого успеха не принесло. Часто в пластике есть микроскопические отверстия или слабые места, которые быстро закорачиваются. Небольшие воздушные карманы между слоями нагреваются и могут взорваться. Свернутые и сложенные колпачки необходимо погрузить в масло, чтобы уменьшить коронный разряд, который может быть грязным. Несмотря на более высокую стоимость, рекомендую использовать колпачки заводского производства. Первичный конденсатор работает в чрезвычайно сложных условиях. Он подвергается воздействию высоких напряжений и очень коротких циклов зарядки / разрядки.Заводские кепки переносят эти условия гораздо лучше, чем все, что большинство из нас может сделать дома.

Этот материал, защищенный авторскими правами, был незаконно использован без разрешения владельца. Посетите сайт www.teslacoildesign.com, чтобы найти оригинальную и самую последнюю версию этого материала.

Caps обычно имеют рейтинг VAC и VDC. При использовании конденсаторов в качестве первичного конденсатора в катушке Тесла они будут заряжаться и разряжаться только в течение очень короткого времени.Поскольку колпачки «импульсные», мы можем использовать номинальное напряжение постоянного тока при проектировании MMC. Хотя это кажется странным, рейтинг VAC следует игнорировать.

Обычно в массиве MMC используются конденсаторы от 1,6 кВ до 2 кВ. Несколько крышек подключены последовательно, чтобы обеспечить соответствующее номинальное напряжение. Рекомендуется сконструировать MMC, чтобы выдерживать в 2 или 3 раза пиковое напряжение, превышающее номинальное значение NST. Например, при использовании источника питания 15 кВ RMS (15000 * 1,414 = 21 кВ пиковое значение) MMC должен иметь минимальное номинальное напряжение от 40 до 60 кВ.Однако крышки хорошего качества можно использовать ближе к заданному рейтингу. Терри Фриц протестировал три конденсатора CD942C20P15K при номинальном постоянном напряжении, и они проработали 75 часов, прежде чем выйти из строя. Хотя 75 часов может показаться не долгим сроком службы, большинство катушек Тесла работают только в течение коротких интервалов. Типичная MMC будет иметь около дюжины крышек в каждой серии. Обычно несколько последовательных цепочек подключаются параллельно для обеспечения адекватной емкости. В программе TeslaMap есть калькулятор MMC, который позволяет быстро и легко проектировать MMC.

Многие люди в конечном итоге модернизируют свою катушку Тесла, переходя на роторный искровой разрядник или добавляя дополнительные NST. Оба эти изменения повлияют на требуемую емкость MMC. При планировании и строительстве вашей MMC разумно учитывать будущие обновления. MMC может быть сконструирован с точками отвода между конденсаторами, чтобы можно было легко регулировать емкость массива. Также неплохо подумать о том, чтобы оставить место для добавления дополнительной последовательной цепочки конденсаторов в будущем.Иногда колпачок в MMC может выйти из строя, поэтому MMC должен быть спроектирован так, чтобы допускать замену отдельных колпачков.

Колпачки

MMC могут взорваться (на самом деле просто лопнуть) и / или загореться при выходе из строя. MMC должен быть спроектирован и расположен так, чтобы минимизировать повреждение в случае выхода из строя крышки.

Всегда припаивайте резисторы отвода утечки параллельно к каждому конденсатору. Высокое сопротивление позволит батареям медленно разряжаться и не даст им удерживать опасный заряд.

К каждому конденсатору следует подключить спускной резистор от 1 МОм до 10 МОм, чтобы предотвратить опасный заряд в крышках.Я рекомендую использовать высоковольтные «металлопленочные» или «толстопленочные» резисторы. Обычно они доступны с номинальным напряжением 3,5 кВ и выше. Резисторы высокого напряжения с номинальной мощностью 1/2 Вт и 1 Вт обычно имеют более высокое номинальное напряжение, чем резисторы на 1/4 Вт. Некоторые высоковольтные резисторы имеют большую физическую длину, поэтому я рекомендую вам проверить указанную длину, чтобы убедиться, что резисторы можно легко подключить параллельно с вашими конденсаторами. Сопутствующие резисторы не должны находиться в прямом контакте с корпусом конденсатора, так как может возникнуть дуга (см. Спецификацию резистора «выдерживаемое напряжение диэлектрика»).Хорошая идея - припаять резисторы к противоположной стороне сборной платы или к тому, на что вы устанавливаете колпачки. При подключении MMC лучше всего скрутить выводы конденсатора вместе, а затем припаять. Не беспокойтесь о травлении медных дорожек на печатной плате. Тонкая медь не выдерживает тока в MMC.

Я рекомендую, чтобы все соединения в MMC были как можно короче, особенно соединения, которые соединяют цепочки различных серий. Длинные или плохие соединения между последовательными цепочками могут создать дисбаланс тока через них.Струны, расположенные ближе всего (с наименьшим сопротивлением) к основному соединению, получат больший ток.

Большинство конденсаторов не предназначены для высокочастотного заряда и разряда высокого напряжения в катушке Тесла.

Важно использовать в MMC заглушки правильного типа. Большинство крышек быстро выходят из строя при использовании в катушке Тесла. Ищите эти качества в хорошей крышке MMC:

  • Заглушки полипропиленовые
  • Металлические электроды типа «фольга», особенно фольговые электроды
  • Высокий рейтинг dV / dT (мин. 1000 - 2000 В / мкс)
  • Максимальный среднеквадратичный ток (мин. 10-15 А)
  • Максимальный пиковый ток (минимум несколько сотен ампер)
  • Самовосстановление

Избегайте «металлизированной» или «металлической пленки» (металлическая пленка слишком тонкая, чтобы выдерживать токи катушки Тесла).Избегайте использования полиэфирных конденсаторов.

dV / dT - важная характеристика конденсаторов катушек Тесла. Он указывает, насколько быстро может изменяться напряжение в конденсаторе. Катушки Тесла работают при высоких напряжениях и частотах, поэтому важно использовать конденсаторы с высокими значениями dV / dT. DV / dT обычно указывается как V / uS. dV / dT рассчитывается как:

dV / dT = 2 x pi x Vпик x частота

Например:
Если у нас есть MMC, работающая на 15 кВ RMS (15000 * 1,414 = 21 кВ пиковое), но у нас есть 10 серийных конденсаторов в нашей MMC, так что у каждого конденсатора есть 2.1кВ. Предположим, что резонансная частота составляет 160 кГц. DV / dT рассчитывается следующим образом.

dV / dT = 2 x pi x Vпик x частота

dV / dT = 2 x pi x 2121 x 160000

dV / dT = 2132261765 В / с

dV / dT = 2132 В / мкс

Таким образом, в этих условиях вам следует выбирать конденсаторы с минимальным значением dV / dT около 2000 В / мкс. Вы можете использовать dV / dT для оценки пикового тока, используя следующий расчет:

Ipeak = емкость * dV / dT

Используя наши dV / dT сверху с 0.056 мкФ крышка:

Ipeak = 0,000000056 * 2132261765

Ipeak = 119,4 А

Ниже приводится список хороших / плохих крышек, который был составлен много лет назад несколькими производителями катушек Тесла. Некоторые из крышек могут быть недоступны. Значение VDC используется потому, что конденсаторы в катушке Тесла пульсируют.

Рекомендуемые крышки MMC

* Не все крышки, перечисленные в этой строке, были протестированы. Они должны работать , но, пожалуйста, проверьте характеристики конденсатора (dV / dT, среднеквадратичный ток и т. Д.)
(1) Одобрено доктором Резонансом
(2) Проверено Мэттом

Не рекомендуется для колпачков MMC
Примечание. Некоторые из этих колпачков могут работать с катушкой Тесла, но у них плохие характеристики dV / dT, и они выйдут из строя раньше, чем рекомендованные колпачки.

Производитель Номер детали Напряжение (В постоянного тока) Значение (мкФ)
Корнелл Дубилье 940C20S33K
избегайте серии 940
2000
0.033
Филлипс МКП336-2
Г.Э. 42L4102 3000 0,01
Г.Э. 42L3332 2000 0,33

Этот материал, защищенный авторскими правами, был незаконно использован без разрешения владельца. Посетите сайт www.teslacoildesign.com, чтобы найти оригинальную и самую последнюю версию этого материала.

Использование первичного конденсатора резонансного размера может разрушить NST.

NST плохо работают с резонансной емкостью. Колпачок резонансного размера может вызвать состояние, известное как резонансное повышение, которое вызывает повышение напряжения в первичной цепи намного выше нормального уровня. Эти высокие напряжения могут легко повредить NST, поэтому NST следует использовать только с первичными конденсаторами большего размера, чем резонансные (LTR). Чтобы свести к минимуму риск возникновения резонанса в первичной цепи, я использую MMC на 1.В 618 раз больше резонансного размера. Отношение 1: 1,618 известно как пи или золотое сечение. Любые два числа в этом соотношении будут иметь наименьшее общее кратное, что практически не приведет к резонансу. Кроме того, колпачки LTR будут передавать большую часть мощности через катушку Тесла.

Конденсаторы

можно заказать в Интернете, хотя их может быть сложно найти. Иногда другой намотчик заказывает несколько сотен и перепродает их другим намотчикам. Следующие ссылки должны стать хорошей отправной точкой:
Tesla Stuff
octopart.com

Используйте защитный зазор для защиты первичного конденсатора.

Защитный промежуток должен быть размещен параллельно первичной емкости для защиты конденсатора от скачков напряжения. Однако нельзя допускать короткого замыкания колпачков непосредственно через предохранительный зазор, потому что быстрый разряд приведет к нагрузке на колпачки. Чтобы предохранительный промежуток не закорачивал крышки (что почти так же плохо, как скачки напряжения), резистор большой мощности с низким сопротивлением (несколько Ом) должен быть включен последовательно с предохранительным промежутком.Резистор не должен быть проволочным, поскольку он может содержать индуктивность и создавать нежелательные эффекты. В безопасном зазоре закалки не требуется.

Искровой разрядник

Конструкция

Искровой разрядник используется в качестве переключателя для мгновенного подключения первичного конденсатора к первичной катушке. Когда зазор закорочен, колпачок может разрядиться в катушку.

Могут использоваться многие конструкции искровых разрядников. Искровые разрядники бывают двух основных типов: статические и поворотные.Когда электроды с зазором неподвижны, зазор называют «статическим» зазором. Вращающийся зазор использует вращающиеся электроды.

Самая простая конструкция зазора - это статический зазор, состоящий из 2 болтов, проводов, ручек выдвижных ящиков или других проводников, которые действуют как электроды. Электроды должны быть гладкими и закругленными, без острых краев, которые могут вызвать случайное короткое замыкание зазора. Зазор между электродами устанавливается на определенную ширину. Ширина определяет напряжение, необходимое для короткого замыкания зазора.Идеальный зазор будет коротким, как только первичный конденсатор достигнет своего пикового напряжения. Зазор должен быть спроектирован таким образом, чтобы его ширина могла быть легко изменена. Ручки, навинчиваемые на болты, - хороший выбор. Отрегулировать ширину зазора так же просто, как повернуть ручку или болт.

Статические зазоры просты и удобны, но у них есть недостатки. Часто зазор будет продолжать сокращаться после того, как напряжение на конденсаторе упадет значительно ниже своего пикового значения - и даже ниже напряжения, необходимого для короткого замыкания зазора.Это происходит потому, что воздух между зазором становится ионизированным, когда зазор сокращается. Ионизированный воздух обладает большей проводимостью и позволяет зазору оставаться закороченным. Характеристики статического зазора можно улучшить, продув воздух через зазор. Это называется «гашением» разрыва. Целью закалки является выдувание ионизированного воздуха из зазора. Я использовал 12-вольтовые вентиляторы для компьютерных корпусов, другие использовали моторы для пылесосов. Как правило, чем больше воздуха вы пропустите через зазор, тем лучше.

В конструкции Richard Quick (RQ) используются несколько медных трубок для разделения искрового промежутка на несколько меньших промежутков.Конструкция Ричарда Кука обычно работает лучше, чем стандартный статический зазор с двумя электродами.

Усовершенствованием простого статического зазора является вращающийся зазор. Вращающийся зазор использует двигатель для вращения электродов зазора, который может точно контролировать замыкание зазора. Для приведения в движение роторного зазора можно использовать два различных типа двигателей; синхронный и асинхронный (также называемый «синхронным» и «асинхронным»). Синхронные двигатели вращаются синхронно с частотой источника питания (50 или 60 Гц). Двигатели Sync всегда будут работать с частотой, кратной входной частоте.Обычные скорости: 1200, 1800 и 3600 об / мин для входных частот 60 Гц. Асинхронные двигатели не вращаются синхронно с частотой сети.

Зазоры поворотные бывают двух основных исполнений: дисковые и винтовые. Дисковая конструкция более распространена и использует диск, установленный на валу двигателя. По краю диска расположены электроды, которые вращаются и выравниваются с неподвижными электродами для создания искрового промежутка. Конструкция пропеллера похожа на воздушный винт самолета. Электрод устанавливается на валу двигателя (но изолирован от вала) и вращается для совмещения со стационарными электродами для создания искрового промежутка.

NST следует использовать только со статическими зазорами или поворотными зазорами с синхронизирующими двигателями.

Меньшие или более слабые синхронизирующие двигатели могут иметь проблемы с вращением диска или гребного винта. В этом случае двигатель может не запуститься или он может потерять синхронизацию. Когда двигатель теряет синхронизацию, он пытается выполнить повторную синхронизацию. В это время частота вращения будет незначительно изменяться, поскольку двигатель «охотится» за синхронизирующей частотой вращения. Если это проблема, то лучшим решением будет более легкий зазор винта. Вращательная сила синхронизирующего двигателя называется крутящим моментом и обычно измеряется в дюймах на унцию.Крутящий момент может быть сложным, поэтому я предпочитаю использовать ватты при работе с синхронизирующими двигателями. Для большинства роторных искровых разрядников двигатель должен производить не менее 10-15 Вт. Больше всегда лучше. У меня не было большого успеха с синхронизирующими двигателями на 5 Вт.

Необходимо соблюдать осторожность, чтобы электрод не вылетел из зазора на высокой скорости. Поворотные зазоры всегда должны устанавливаться в коробке или иметь стены, в которых должен находиться незакрепленный пропеллер, диск или электрод. У Терри Блейка есть полезная информация о безопасности зазоров здесь: http: // www.tb3.com/tesla/sparkgaps/safety.html

Обычно зазор предназначен для короткого замыкания или «разрыва» 120 раз в секунду (120 бит / с) при работе от источника питания 60 Гц. Это будет соответствовать первичной зарядке конденсатора 60 Гц. Может показаться, что разрядник будет срабатывать вдвое больше, чем требуется, но помните, что форма волны 60 Гц включает в себя положительный и отрицательный пик, поэтому разрядник срабатывает на обоих пиках.

Этот материал, защищенный авторскими правами, был незаконно использован без разрешения владельца.Посетите сайт www.teslacoildesign.com, чтобы найти оригинальную и самую последнюю версию этого материала.

Количество электродов необходимо выбрать так, чтобы обеспечить 120 бит / с в зависимости от скорости вращения двигателя. В следующей таблице перечислены электроды, необходимые для выработки 120 бит / с при различных оборотах двигателя.

об / мин = оборотов в минуту
об / мин = оборотов в секунду
BPR = количество оборотов на оборот (требуется для 120 бит / с)

Обороты синхронизирующего двигателя и требуемые электроды

об / мин RPS BPR Электроды
3600 60 2 2
1800 30 4 4
1200 20 6 6
900 15 8 8

Я не рекомендую диск диаметром менее 5 дюймов, особенно для двигателей с высокой частотой вращения, поскольку они могут создавать в зазоре вихревое облако ионизированного газа.

Старые синхронизирующие двигатели можно найти на проигрывателях или на старом компьютерном барабанном оборудовании. Некоторые из них были найдены на военных складах. Новые можно заказать онлайн. Hurst и Oriental Motor производят хорошие моторы.

Терри Блейк имеет здесь много действительно хорошей информации о роторных искровых разрядниках: http://www.tb3.com/tesla/sparkgaps/index.html

Искровые разрядники должны выдерживать очень высокие токи. На поверхности большинства электродов быстро образуется горение и точечная коррозия.Вольфрам - хороший выбор электродов искрового разрядника. У него самая высокая температура плавления среди всех металлов, поэтому он устойчив к образованию заусенцев и точечной коррозии. Его можно найти в виде сварочных стержней, сверл и т. Д. Вольфрамовые сварочные стержни бывают нескольких различных типов, каждый с разными свойствами. На конце стержня имеется цветная полоса для обозначения типа стержня. Код цвета:

Цвет Присадка
зеленый Чистый
Красный Торированный
Черный, золотой или синий лантанированный
Белый или коричневый Цирконий
Оранжевый Сертифицировано
Серый Редкоземельный

Примечание. Цветовой код может варьироваться в зависимости от страны.

Сварочные прутки из торированного вольфрама содержат очень небольшое количество радиоактивного тория.

Торий - радиоактивный элемент и может быть опасен для вашего здоровья. При шлифовании или резке торированного вольфрама всегда используйте сумеречную маску. Тщательно очистите от шлифовальной пыли и вымойте руки. Будьте осторожны, чтобы не вдыхать и не проглатывать пыль от торированного вольфрама. Если в ваших искровых разрядниках используется торированный вольфрам, всегда запускайте их в хорошо вентилируемых местах.

Прежде чем начать паниковать, имейте в виду, что торий на самом деле довольно безопасен.Он используется в очень небольших количествах (2%) в торированных сварочных прутках. Он испускает альфа-излучение, которое обычно не вредно. Альфа-излучение очень слабое и непроникающее. Торированные сварочные стержни не радиоактивны, потому что вольфрам блокирует любое излучение, испускаемое торием в стержне. Однако торий может быть вредным, если вы вдыхаете или проглатываете пыль, вызванную шлифованием или разрезанием стержня. Но опять же, это не опасно, если вы избегаете пыли.

Этот материал, защищенный авторскими правами, был незаконно использован без разрешения владельца.Посетите сайт www.teslacoildesign.com, чтобы найти оригинальную и самую последнюю версию этого материала.

Хотя вольфрам кажется идеальным для искровых разрядников, он может быть дорогим. Он очень твердый и довольно хрупкий. У меня возникли трудности с резкой вольфрамовых сварочных стержней. Ножовка по металлу не подойдет. Отрезной диск Dremel сложен, но, по-видимому, это самый простой способ резки, который я нашел. Сварочные стержни имеют тенденцию легко трескаться при напряжении. Мне сообщили, что вольфрамовые стержни можно легко подогнать по размеру с помощью двух пар плоскогубцев или плоскогубцев и тисков.После того, как они будут отрезаны или отрезаны по размеру, концы следует отшлифовать или отшлифовать до красивой круглой формы, чтобы они образовывали одинаковую дугу.

Какой бы тип искрового промежутка вы ни выбрали, его необходимо отрегулировать для достижения оптимальных характеристик. Процедура регулировки описана в разделе «Регулировка искрового промежутка».

Первичная катушка

Конструкция

Первичная катушка используется с первичным конденсатором для создания первичной цепи резервуара LC. Первичная обмотка также соединяется с вторичной обмоткой для передачи энергии от первичной обмотки к вторичной цепи.

Обычно для изготовления первичного змеевика используется медная трубка 1/4 дюйма. Я успешно использовал сплошную медь 6 AWG, хотя мои руки болели в течение нескольких дней после сгибания провода. Некоторые люди использовали плоскую медную ленту для экономии места, но постучать по виткам (прикрепить провод) может быть сложнее. Избегайте использования других металлов, таких как сталь, из-за их более высокого сопротивления на высоких частотах. Между витками оставьте расстояние около 1/4 дюйма. Это предотвратит искрение и оставит место для точки отвода.Первичная катушка может быть изготовлена ​​практически из любого непроводящего материала. Материал должен быть достаточно прочным, чтобы выдержать вес меди. Вам понадобится форма с некоторыми средствами, чтобы удерживать медные витки на месте. Обычны пластиковые стяжки или пластиковые стержни с выемками через каждые 1/4 дюйма. Если у вас есть медная трубка или проволока, намотанная на катушку, не разматывайте ее перед тем, как сделать первичную катушку. Используйте естественную форму катушки, чтобы облегчить намотку. Старайтесь не выпрямлять и не сгибать слишком сильно трубку или проволоку, поскольку это приведет к их затвердеванию.

Первичная обмотка обычно плоская, называемая «блинной». Форма конуса или первичный конус также очень распространена. Некоторые катушки Тесла меньшего размера могут использовать первичную обмотку в форме вертикальной спирали. Как правило, в катушке Тесла большего размера используются плоские первичные обмотки, а в катушке меньшего размера можно использовать первичные обмотки конической формы. Рекомендую использовать плоскую катушку. Плоские катушки легче построить, а формы конической / вертикальной спирали поднимут верх первичной катушки ближе к верхней нагрузке, что увеличивает вероятность возникновения дуги в первичной катушке.Форма конической и вертикальной спирали также увеличит связь между первичной и вторичной обмотками. Максимальная связь обычно является целью большинства трансформаторов, но катушки Тесла должны иметь слабую связь. Избыточная связь (или плохое радиочастотное заземление) может вызвать дугу вверх и вниз во вторичной катушке. Если вы видите дуги, идущие вверх по вашей вторичной катушке, то первичная и вторичная катушки могут быть чрезмерно связаны, и их следует раздвинуть дальше друг от друга. Самый простой способ сделать это - немного приподнять вторичную катушку.Если используется коническая первичная обмотка, угол не должен превышать 45 градусов.

Первичная обмотка должна иметь ударное кольцо примерно на 2 дюйма выше самого внешнего витка. Мы надеемся, что это кольцо предотвратит попадание дуги от верхней нагрузки на первичную обмотку. Возникновение дуги в первичной катушке может вызвать скачок напряжения, достаточно большой, чтобы убить первичные конденсаторы и / или NST. Кольцо не должно быть полностью закрытым. Один конец должен быть подсоединен к вторичному заземлению. Катушки меньшего размера, которые не создают дуги, достаточно длинные, чтобы достичь первичной обмотки, не требуют ударного кольца, хотя иметь его никогда не помешает.

Перед созданием первичной катушки вы должны знать, сколько витков потребуется для настройки катушки и какую длину трубки или провода вам понадобятся. Программа TeslaMap может помочь вам легко спроектировать первичную катушку.

Вторичная обмотка

Конструкция

Вторичная обмотка и верхняя нагрузка образуют вторичный контур резервуара LC. Вторичная обмотка также соединяется с первичной обмоткой и передает мощность от первичной цепи к вторичной цепи.

Размер вторичной катушки обычно зависит от размера источника питания. Для катушки Тесла среднего размера (около 1 кВт) вам понадобится вторичная катушка диаметром от 4 до 6 дюймов. Катушки меньшего размера должны иметь диаметр от 3 до 4 дюймов, а катушки большего размера должны иметь диаметр не менее 6 дюймов. Отношение высоты к ширине (также известное как соотношение сторон) важно. Если катушка слишком короткая, вы получите много ударов от верхней нагрузки до первичной катушки. Высота вторичной катушки должна быть примерно в 4 или 5 раз больше диаметра катушки Тесла среднего размера.Например, вторичная обмотка катушки Тесла мощностью 1 кВт с диаметром 4 дюйма должна иметь высоту от 16 до 20 дюймов. Не забудьте обрезать вторичную форму на пару дюймов длиннее, чем высота намотки, чтобы оставить место на каждом конце! Катушки меньшего размера должны иметь отношение высоты к ширине около 6: 1, а катушки большего размера - ближе к 3: 1.

Вторичный провод обычно представляет собой тонкий (от 22 AWG до 28 AWG) магнитный провод. Магнитопровод представляет собой сплошную медную проволоку с тонким слоем лака в качестве изолятора.Он продается фунтами или граммами. Вам, вероятно, понадобится около 2 фунтов, чтобы намотать обычную катушку. Имеется двойной магнитопровод с дополнительной изоляцией, но в этом нет необходимости. Нацельте на вторичную обмотку примерно 1000 витков (+ -200).

Вторичная обмотка обычно наматывается на трубу из ПВХ, хотя можно использовать картон и многие другие непроводящие материалы. Труба из ПВХ белого цвета практически всегда безопасна в использовании. Серый ПВХ обычно безопасен, но черный ПВХ может содержать большее количество углерода, что может создать проблемы в некоторых катушках Тесла.Некоторые ПВХ могут иметь тонкую металлическую полоску. Это используется, чтобы помочь найти трубу после того, как ее закопали. Не используйте эту трубку, так как металлическая полоса быстро закоротит катушку. На самом деле вам следует избегать любых металлических винтов, болтов, пластин и т. Д. На вторичной обмотке. Для прикрепления верхней нагрузки к вторичной обмотке можно использовать непроводящий нейлоновый болт.

Этот материал, защищенный авторскими правами, был незаконно использован без разрешения владельца. Посетите www.teslacoildesign.com, чтобы найти оригинальную и самую последнюю версию этого материала.

Прежде чем вы начнете наматывать вторичную катушку, вы должны рассчитать, сколько витков вы можете намотать с заданным весом магнитного провода и какой длины (или высоты) будет катушка. Это подскажет вам, сколько труб из ПВХ или другого опалубочного материала вам понадобится. Конечно, программа TeslaMap может сделать все расчеты за вас. Труба ПВХ должна быть чистой и сухой.

Намотка катушки займет довольно много времени.Найдите удобное место с хорошим освещением и планируйте пробыть там надолго. Токарный станок идеально подходит для удержания трубы из ПВХ, пока вы наматываете магнитный провод. К сожалению, токарный станок, который я использовал, даже на самой низкой скорости, вращался слишком быстро, чтобы намотать катушку, поэтому я просто вставил трубу в токарный станок и повернул трубу вручную. Катушка с магнитной проволокой должна быть установлена ​​так, чтобы ее можно было легко разматывать и распутывать во время намотки. Вы можете надеть тонкую перчатку, чтобы сохранить кожу на пальцах.Перед тем, как начать наматывать катушку, убедитесь, что труба из ПВХ или другой формы чистая и сухая. Убедитесь, что на форме нет металлической стружки. Вероятно, неплохо было бы нанести слой Dolph's AC-43, полиуретана или лака на форму внутри и снаружи, чтобы убедиться, что она остается сухой. Начните с закрепления конца магнитной проволоки на расстоянии нескольких дюймов от конца ПВХ. Вы можете закрепить проволоку изолентой или просверлить пару небольших отверстий в ПВХ и продеть проволоку. Не забудьте оставить намотанный на конце примерно фут или два магнитной проволоки.Имейте под рукой клейкую ленту, чтобы легко удерживать провод во время обрыва или распутывания. Будьте осторожны, чтобы не оставлять зазоров между обмотками. Убедитесь, что провод лежит ровно и прямо. При наматывании проволоки сохраняйте некоторое натяжение. Когда закончите, закрепите конец магнитной проволоки и оставьте пару футов дополнительной проволоки на каждом конце. Надеюсь, если ваши расчеты верны, у вас останется примерно несколько дюймов ПВХ-трубы с каждой стороны. Нанесите покрытие Dolph's AC-43, полиуретан или лак. Не забывайте обматывать ногу лишней проволокой на каждом конце.Я обычно скручиваю этот дополнительный провод и позволяю ему торчать и убираться с дороги, пока покрываю его лаком. Следуйте инструкциям на Dolph's AC-43, полиуретане или лаке и нанесите несколько слоев. Продолжайте вращать трубу по мере высыхания покрытия. Токарный станок - идеальный вариант, но я использовал ручную дрель на малой скорости, чтобы повернуть мою трубу из ПВХ. Вы можете использовать другие эпоксидные смолы или герметики, если они не проводят ток и не разъедают изоляцию магнитного провода или трубу из ПВХ.

Верхняя нагрузка

Конструкция

Верхняя нагрузка действует как конденсатор во вторичной цепи.

Форма верхней нагрузки поможет определить, где дуги разорвутся. Пончик или тороид (также называемый тором) является предпочтительной формой для верхней нагрузки. Во время работы катушки заряд будет накапливаться вокруг поверхности верхней нагрузки. Сфера будет иметь равномерно распределенную напряженность поля по всей поверхности. Если сфера превратить в тороид, напряженность поля будет увеличиваться вокруг радиуса тороида. Дуги вспыхнут там, где напряженность поля наибольшая.Преимущество концентрации поля вокруг радиуса состоит в том, чтобы направить дуги наружу. Использование сферы приведет к более равномерному распределению, но меньшего размера дуг.

Размер верхней нагрузки и количество приложенной мощности будут определять размер и количество одновременных дуг, которые производит катушка Тесла. Если верхняя нагрузка мала по сравнению с входной мощностью, она будет производить много одновременных более коротких дуг. По мере увеличения размера верхней нагрузки количество дуг будет уменьшаться, а длина дуги увеличиваться.Если тороид слишком большой, напряженность поля не будет достаточно сильной для прорыва дуг. Размещение на тороиде острого предмета, например, кнопки для большого пальца или небольшого металлического шарика (называемого точкой отрыва), создаст нарушение поля и позволит дугам выйти из точки отрыва.

Наиболее распространенный метод изготовления тороида - обернуть алюминиевый канал сушилки алюминиевым поддоном для пирога. Вы также можете купить алюминиевый тороид. Верхний груз можно сделать практически из чего угодно, гладкой формы и покрытого алюминиевой фольгой.Избегайте использования «металлической» краски. Обычно в краске недостаточно металла для создания проводящей поверхности, и даже если металла достаточно, он обычно быстро выгорает.

Обычно диаметр тороидального кольца должен быть примерно таким же, как диаметр вторичной обмотки, что означает, что для вторичной обмотки, намотанной на 4-дюймовую трубу из ПВХ, должен использоваться канал осушителя диаметром 4 дюйма. Общий диаметр тороида должен быть примерно в 4 раза больше диаметра кольца, поэтому сушильный канал диаметром 4 дюйма должен быть обернут вокруг 8-дюймовой формы для пирога с общим диаметром 16 дюймов.

Важно физически прикрепить тороид к верхней части вторичной обмотки. Вы можете обойтись, просто поместив тороид поверх вторичной катушки, но в конечном итоге он упадет или ударится. В лучшем случае вы закроете тороид или первичную катушку, в худшем случае может произойти короткое замыкание, которое выйдет из строя первичные конденсаторы, или что-то еще. Хороший способ подсоединить тороид к вторичной обмотке - получить торцевую крышку из ПВХ для вторичной обмотки, просверлить отверстие посередине и вставить нейлоновый болт, выступающий вверх.Просверлите отверстие в центре формы для пирога и наденьте его на нейлоновый болт. Вам придется использовать нейлон или другой непроводящий болт. Металлический болт выстрелит дугой прямо вверх. Можно использовать деревянное крепление, но избегать деревянного. Древесина всегда имеет немного влаги и обладает слабой проводимостью. Он также может набухать, сжиматься, деформироваться и трескаться.

Важно, чтобы тороид находился на правильной высоте над вторичными обмотками. Если тороид расположен слишком высоко, вы увидите, как коронный разряд развивается у вершины вторичных обмоток.Вы также можете увидеть несколько небольших дуг в верхней части вторичной обмотки. Корона и дуги могут ухудшить изоляцию вторичной обмотки. Если это проблема, попробуйте переместить тороид вниз. Если тороид расположен слишком низко, в первичной обмотке могут возникать частые дуги. В этом случае попробуйте поднять тороид вверх. Если вы не можете найти подходящее место для тороида, вы можете попробовать добавить меньший тороид прямо под основным тороидом. Это может помочь предотвратить коронный разряд на вторичных обмотках и удары по первичной обмотке.

Конденсаторы PFC

Конструкция

Конденсаторы коррекции коэффициента мощности (PFC) используются для коррекции коэффициента мощности переменного тока, подаваемого на NST. Когда схема содержит большую индуктивность или емкость, напряжение и ток будут сдвинуты по фазе, что приведет к снижению эффективности.

Коэффициент мощности будет ухудшаться из-за большой индуктивности в NST. Емкость в конденсаторе PFC перестроит фазы напряжения и тока.Величина емкости должна соответствовать величине индуктивности, чтобы емкость и индуктивность компенсировали друг друга. Емкость PFC не обязательно должна точно соответствовать трансформатору. Часто колпачок PFC меньше рекомендуемого размера для снижения затрат. Если у вас есть подходящий конденсатор, используйте его, даже если он недостаточно большой. Поможет даже небольшая емкость. Несколько небольших конденсаторов PFC могут быть подключены параллельно для увеличения их емкости. Колпачки PFC должны быть подключены к низковольтным входам NST.Если вы не можете получить какие-либо крышки PFC, NST можно запускать без них.

Этот материал, защищенный авторскими правами, был незаконно использован без разрешения владельца. Посетите сайт www.teslacoildesign.com, чтобы найти оригинальную и самую последнюю версию этого материала.

Используйте только конденсаторы рабочего типа для приложений PFC.

Обязательно используйте только конденсаторы «рабочего» типа, а не конденсаторы «пускового». Пусковые конденсаторы предназначены для использования только в течение коротких периодов времени, например, для запуска двигателя.Они перегреются и, возможно, взорвутся, если будут работать постоянно. Электролитические колпачки не следует использовать в качестве колпачков для ПФУ, они также нагреются и лопнут.

колпачков с ПФУ можно найти в центрах утилизации / утилизации двигателей переменного тока, двигателей стиральных машин, двигателей холодильников и т. Д. Я считаю, что захоронение колпачков с ПФУ является противозаконным, потому что они содержат опасные химические вещества, а в центрах по переработке обычно бывает их куча. ждем Вас. Колпачки PFC также можно заказать в Интернете.

Защита NST

Конструкция

Провод во вторичной катушке NST очень, очень тонкий и легко закорачивается из-за всплесков высокого напряжения, генерируемых в первичной цепи.Искровой разрядник и фильтр нижних частот помогут защитить NST от скачков напряжения и преждевременной смерти.

Я использую фильтр, известный как «фильтр Терри», разработанный Терри Фрицем в течение нескольких лет с большим успехом. Несколько других людей также добились хороших результатов с фильтром. Фильтр представляет собой типичный RC-фильтр нижних частот, который состоит из нескольких последовательно соединенных конденсаторов для шунтирования высокочастотных всплесков на землю и резисторов высокой мощности для развязки NST от первичной цепи.Мой фильтр имеет сопротивление 1000 Ом и емкость 0,28 нФ, что дает частоту среза около 570 кГц. Искровой разрядник пропускает выбросы высокого напряжения на землю. Искровой промежуток должен быть установлен достаточно широким, чтобы он не закорачивался при прямом подключении к выходу NST. Я пропустил MOV в моем фильтре. Они шунтируют скачки напряжения на землю. На выводах каждой крышки имеется спускной резистор с высоким сопротивлением (10 МОм). Рекомендую использовать высоковольтные резисторы. Резисторы утечки не должны находиться в прямом контакте с корпусом конденсатора, так как может возникнуть дуга.Несколько колпачков подключены последовательно, чтобы выдерживать высокое напряжение на выходе NST. Общее номинальное напряжение последовательных конденсаторов должно примерно в 2–3 раза превышать пиковое напряжение на выходе NST, хотя конденсаторы хорошего качества могут работать при их номинальном напряжении. Например, при использовании источника питания 15 кВ (среднеквадратичное значение 15000 * 1,414 = пиковое значение 21 кВ).

Всегда припаивайте резисторы отвода утечки параллельно к каждому конденсатору. Высокое сопротивление позволит батареям медленно разряжаться и не даст им удерживать опасный заряд.

Тип используемых колпачков не так важен, как выбор колпачков в MMC. Предпочтительны полипропиленовые пленки типа фольги. Следует избегать использования металлических крышек.

Сетевые фильтры

Конструкция

Сетевые фильтры используются для предотвращения попадания скачков высокого напряжения обратно в дом или в проводку здания.

Сетевые фильтры обычно состоят из конденсатора для шунтирования высоких частот на землю. Большинство также будет использовать индукторы, чтобы уменьшить всплески высоких частот.Некоторые могут иметь MOV для шунтирования скачков напряжения на землю.

Сетевой фильтр следует подключать последовательно с сетью питания. Он должен быть подключен как можно дальше от катушки Тесла. Если он подключен слишком близко, в проводах за фильтром могут возникать наведенные напряжения, которые обходят фильтр. При подключении фильтра некоторые люди рекомендуют подключать фильтр в обратном направлении (выход ведет к домашней проводке). Логика состоит в том, что фильтры обычно используются для защиты устройства от всплесков в домашней проводке, но мы используем их для защиты домашней проводки от устройства.Другие рекомендуют стандартную ориентацию подключения. Я думаю, что это сработает в любом направлении, но я позволю вам решать.

Фильтры можно купить в Интернете или восстановить из оборудования. Можно спроектировать и построить свой собственный, но обычно его гораздо проще купить. Обязательно используйте фильтр, рассчитанный на мощность, подаваемую на него.

Шасси

Конструкция

Все отдельные компоненты, составляющие катушку Тесла (NST, MMC, искровые разрядники и т. Д.), Должны быть установлены в каком-либо шасси, раме или корпусе.Можно разложить все части на полу (как я это обычно делаю) и запустить катушку Тесла без шасси, но использование шасси имеет много преимуществ. Переместить катушку Тесла будет намного проще. Крепление колес к нижней части шасси - хорошая идея. Установка деталей на шасси предотвратит их перемещение или падение. Детали и будут лучше организованы, а электропроводка также может быть более организованной, более прочной и безопасной.

Самая распространенная конструкция шасси - это несколько пластиковых или деревянных платформ, уложенных друг на друга с достаточным пространством между платформами для размещения деталей.Например, нижняя платформа будет удерживать крышки NST и PFC. Вторая платформа будет содержать защитный фильтр NST и массив конденсаторов MMC. На следующей платформе будет находиться основной разрядник. Следующая платформа будет поддерживать первичную обмотку и вторичную обмотку. Коробка также может использоваться.

Корпус обычно изготавливается из дерева, пластика или другого непроводящего материала. Он должен быть конструктивно устойчивым, чтобы выдерживать вес компонентов.

Инструменты

Строительство

У вас должен быть доступ к хорошему набору инструментов и оборудования.Помогает хорошая мастерская или гараж с красивым верстаком. Инструменты, которые вы будете использовать, могут отличаться в зависимости от вашего выбора материалов и техники строительства. Вы также должны иметь опыт или помощь для безопасного использования инструментов. Я перечислю несколько вещей, которые могут вам понадобиться.

  • Паяльник и припой
  • Мультиметр
  • Сверло
  • Пила для резки фанеры
  • Ножовка по дереву и ПВХ
  • Кусачки, кусачки
  • Рулетка, штангенциркуль, линейка и т. Д.
  • Отвертки, головки, гаечные ключи и т. Д.
  • Эпоксидная смола или клей

Я уверен, что вы будете использовать много других инструментов, но это должно помочь вам начать работу.

Электромонтаж

Конструкция

Вся проводка должна быть как можно короче. Избегайте петель, которые создают индуктивность в проводе. Старайтесь не прокладывать провода параллельно или близко друг к другу, так как это может вызвать ток в соседних проводах.

Важно использовать соответствующий тип проводки. Вся проводка между электрической розеткой и стороной с более низким напряжением трансформатора питания (NST) должна быть электропроводкой на 120/240 вольт соответствующего калибра.Обычно приемлемо использовать старые шнуры питания, удлинители и т. Д. Также можно использовать домашнюю проводку (Romex), однако я считаю, что она обычно жесткая и с ней трудно работать.

На стороне высокого напряжения трансформатора питания все провода должны быть проводами высокого напряжения «GTO» или «EHT». Также можно использовать проволоку для свечей зажигания с низким сопротивлением. Хотя я не рекомендую это делать, можно использовать провод с изоляцией от низкого напряжения, но вам нужно будет аккуратно прокладывать его вдали от проводящих или заземленных предметов.Первичная цепь будет пропускать очень высокий ток, однако ток возникает относительно короткими импульсами, поэтому толстый провод обычно не требуется.

Провод, соединяющий нижнюю часть вторичной катушки с землей, в идеале должен быть медной оплеткой. Плетеный провод будет лучшим проводником из-за скин-эффекта и высокой частоты во вторичной катушке. Однако я использовал одножильный и многожильный медный провод с приемлемыми результатами.

Все соединения должны быть чистыми.Пайка - лучший способ соединения проводов и выводов. Когда через соединение протекает большой ток, не требуется большого сопротивления, чтобы создать достаточно тепла, чтобы сжечь соединение. Плохое соединение снизит эффективность катушки и может привести к возгоранию!

Заземление

Конструкция

Заземление очень важно для безопасности и правильной работы катушки Тесла.

Катушка Тесла должна иметь два отдельных заземления.Первая земля - ​​это земля дома или здания (также известная как заземление сети). Это зеленый провод в розетках. Вторая земля - ​​RF земля. Вам нужно будет создать собственное ВЧ заземление для катушки Тесла.

Этот материал, защищенный авторскими правами, был незаконно использован без разрешения владельца. Посетите сайт www.teslacoildesign.com, чтобы найти оригинальную и самую последнюю версию этого материала.

Надлежащее заземление компонентов катушки Тесла обсуждалось довольно давно.По общему мнению, все, к чему вы прикасаетесь во время работы катушки Тесла, следует подключать к дому или заземлению здания. Вторичная обмотка и все, что может быть поражено дугой или может испытывать скачки высокого напряжения, должны быть подключены к высокочастотной земле. Вы можете обратиться к схеме катушки Тесла. Общая идея состоит в том, чтобы использовать RF-землю для замыкания вторичной LC-цепи (земля и тороид будут действовать как пластины конденсатора) и для передачи всего высокого напряжения, генерируемого катушкой Тесла, на RF-землю.Мы надеемся, что это предотвратит скачки высокого напряжения в дом или в проводку здания. NST кажется хорошей границей между домашней проводкой и проводкой катушки Тесла, потому что первичная и вторичная обмотки в основном изолированы друг от друга. Поэтому все, что подключено между розеткой дома и первичной обмоткой NST (вариак, панель управления, сетевой фильтр), должно быть заземлено на землю дома. Нижняя часть вторичной катушки, ответная планка первичной обмотки, защитный зазор NST и фильтр должны быть подключены к заземлению RF.Основание дела NST, кажется, вызвало наибольшую путаницу. Я рекомендую подключить его к ВЧ земле, потому что обычно он может быть зажжен дугой или возникнет скачок напряжения.

Важно иметь хорошее ВЧ заземление. Я перечислю несколько способов создания радиочастотного заземления в порядке от наиболее предпочтительного к наименее предпочтительному. Лучшее радиочастотное заземление - это металлический заземляющий стержень, который вы вбиваете в землю. Хотя заземляющий стержень уже установлен снаружи домов и зданий, вам не следует использовать этот стержень, потому что он подключен к дому или заземлению здания.Вам придется забивать свой собственный стержень заземления. Заземляющий стержень должен находиться как можно ближе к катушке Тесла и как можно дальше от дома или здания заземляющего стержня. Обычно рекомендуется глубина 6 или 8 футов, но это действительно зависит от условий почвы и других факторов. Глубже всегда лучше. Если нельзя использовать один стержень, вокруг катушки Тесла можно разместить несколько более коротких заземляющих стержней. Если земля очень твердая или каменистая, вы можете закопать заземляющий стержень горизонтально на глубине от 1 до 2 футов.Если заземляющий стержень невозможен, вы можете создать «противовес» заземления, поместив большой кусок металлической пластины, проволочной сетки или сетки под катушку Тесла и используя его в качестве радиочастотного заземления. Радиус пластины или сетки должен быть примерно равен высоте вторичной обмотки и верхней нагрузки. Если вы находитесь на бетонном фундаменте с арматурой (например, в гараже), вы можете соединиться с арматурой в бетонном фундаменте. Это известно как заземление Ufer или «электрод в бетонном корпусе». Если вы находитесь на первом этаже, который, по крайней мере, является полупроводящим, вы можете намочить небольшой участок пола и положить слой алюминиевой фольги, соединенный с вашим RF-заземлением.Это не рекомендуется из соображений безопасности, и вам придется использовать этот метод на свой страх и риск. В крайнем случае можно подключить к трубе с холодной водой, но я не рекомендую этого делать. Помещать RF в трубы с холодной водой небезопасно.

Плетеный медный провод может улучшить проводимость ВЧ-заземления, но обычный провод подойдет. Смачивание земли вокруг заземляющего стержня перед запуском катушки способствует повышению проводимости к земле. Будьте осторожны, чтобы не повредить подземные коммуникации, забивая стержень заземления.Плохое радиочастотное заземление может не иметь видимого влияния на катушку Тесла - или это может привести к уменьшению длины дуги, возникновению дуги во вторичной катушке или возникновению дуги между первичной и вторичной катушками.

Не существует абсолютного правила для правильного заземления катушки Тесла. Вы обязаны понимать электрические принципы заземления, обращаться за советом и информацией, принимать во внимание вашу ситуацию и предвидеть потенциальные опасности.

Как построить катушку Тесла на 1,35 миллиона вольт

Я построил 1.Катушка Тесла на 35 миллионов вольт у меня на заднем дворе, не убивая себя.

Примечание автора: это очень устаревшая статья, написанная в средней школе.

Катушка Тесла, изобретенная гениальным ученым Никой Тесла (1856-1943), представляет собой высоковольтный высокочастотный генератор энергии. Тесла разработал его для беспроводной передачи электроэнергии, но из-за его низкой эффективности сейчас они просто выглядят круто.

С помощью этого устройства Тесла мог генерировать напряжения такой величины, что они вылетали из устройства, как молнии! Зрелище извивающихся электрических струй, прыгающих по воздуху, просто захватывает.Сегодня катушки Тесла строятся любителями по всему миру только по одной причине - острые ощущения от создания собственной молнии!

Катушки Тесла

также были популяризированы в 90-х годах популярной видеоигрой Red Alert. В игре катушки Тесла использовались Советским Союзом в качестве оружия для создания чрезвычайно высоких и смертельных напряжений.

Следуй за мной

Следи за моими последними приключениями

Материалы

Много конденсаторов Алюминиевый воздуховод
Трансформатор неоновых вывесок Медная труба
Медные провода высокого напряжения Трубки для аквариума
Листы акрила Гибкие медные трубки
Алюминиевый U-образный профиль много болтов / гаек / наконечников для проводов и т. Д.
Множество резисторов Изолента
Пироги Лента из алюминиевой фольги
Трубки ПВХ Заглушки из ПВХ
Полиуретановый лак AWG24 Провод
Сверло Набор для пайки
Молот Стержни с резьбой
Металлические детали L-образной формы Линейки
Полиэтилен высокой плотности
(Разделочная доска)
Вентилятор охлаждения
Пила Держатель предохранителя
Деревянные блоки Краска-спрей
Деревянные доски Слишком много свободного времени
Мотивационные плакаты Деньги
Семейное положение

Строительство

Следует отметить, что конструкция катушки Тесла является сложной и трудоемкой.Это дорого, отнимает много времени, опасно и требует огромной мотивации. Здесь необходимы технические навыки, и необходимы хорошие знания физики и математики. Лучше всего разбить конструкцию на отдельные компоненты.

Источник питания / трансформатор

Пожалуй, самый важный компонент катушки Тесла - это блок питания, и его, вероятно, труднее всего достать. Характеристики источника питания влияют на все остальные компоненты и общий размер катушки Тесла.

Источник питания в основном преобразует напряжение сети (240 В) в чрезвычайно высокие напряжения, необходимые для катушки Тесла.

Как правило, любители ищут трансформаторы нескольких типов.

Трансформаторы с неоновыми вывесками (NST), вероятно, являются самыми популярными. Их можно приобрести в магазинах с неоновой вывеской. Стоимость может составлять от 30 до 100 долларов в зависимости от состояния и рейтинга. Обычно они находятся в диапазоне от 6000 В до 15000 В, с током около 30 мА. Существует 2 типа трансформаторов для неоновых вывесок: один с железным сердечником и работает на частоте 50 Гц, а другой - это новый, меньший по размеру, с переключаемым режимом, который работает на частоте 20 кГц и намного легче.Тяжелые с железным сердечником обычно работают лучше.

Конечным трансформатором будет Pole Pig. Они используются вашими местными правительственными учреждениями для подачи энергии в город. Их можно найти высоко на столбах, по которым подается электричество. Они весят около 200 кг, поэтому, если вы собираетесь украсть их, будьте готовы с подъемным краном или чем-то в этом роде. Кроме того, вы можете иметь с собой электрика, когда вы запускаете катушку Тесла дома, так как ваши автоматические выключатели легко сработают из-за большого тока, который требуется этим парням.В принципе, не беспокойтесь.

Я позвонил в магазин неоновых вывесок, и они действительно продали старые / старые NST. Я посетил их и купил один за 45 сингапурских долларов. Если вы не знаете, как им управлять, лучше попросите магазин продемонстрировать. Они обманывают мелкие; Они весят довольно тяжело, от 8 до 20 кг, и у меня болели руки после того, как я несли его домой в общественном транспорте.

Во-первых, некоторые детали моего трансформатора, а также спецификации, которым должна соответствовать моя катушка Тесла.

My NST выдает 15 кВ и 30 мА.

Более подробно…

Используя эту формулу, я выяснил, что моя катушка Тесла может достигать длины искры до 91,64 см. Теперь он не может приблизиться к этому значению, но он просто дает надежную оценку пространства, которое мне нужно для проведения тестов.

Конденсаторная батарея

Каждая катушка тесла должна иметь конденсаторную батарею. Это сохраняет мощность, необходимую для разряда катушки Тесла.Можно построить три типа конденсаторных батарей, в том числе полностью самодельный, состоящий из пивных бутылок и прочего. Но самый простой метод - это конструкция с несколькими мини-конденсаторами (MMC). Для MMC необходимо учитывать множество факторов.

Во-первых, вы должны знать пиковое напряжение, с которым должна справиться конденсаторная батарея.

В то время как мой трансформатор выдает 15000 В, напряжение может достигать пика до 21 213 В!

Затем нужно выбрать тип конденсатора.

Я выбрал полипропиленовый конденсатор на 1500 В постоянного тока, 0,047 мкФ, потому что он обеспечивает наилучшее соотношение цены и качества, т. Е. лучший мкФ за доллар.

Теперь, поскольку моя MMC должна хранить как минимум 21213 В, я решил, что напряжения должны быть разделены конденсаторами, когда они включены последовательно. Я планирую расположить 15 таких конденсаторов последовательно, что в сумме составит 22500 В, с которыми он может справиться.

Используя приведенную выше формулу, я подсчитал, что моему трансформатору требуется конденсаторная батарея 0.0064 мкФ. Однако это всего лишь значение резонансной шапки. Чтобы быть в большей безопасности, нам нужно значение LTR (больше, чем резонанс). Это значение зависит от того, используете ли вы статический разрядник или SRSG (синхронный вращающийся разрядник), о котором я подробнее расскажу позже. Я буду использовать статический зазор, поэтому значение LTR составляет 0,0095 мкФ.

Расчетная общая емкость 1 «струны» из 15 конденсаторов - это просто номинальная емкость каждой шапки (т. Е. 0,045 мкФ), деленная на количество насадок в струне (т. Е.15), поэтому каждая моя струна имеет 0,00313 мкФ. Для производства 0,0095 мкФ мне понадобится примерно 3 струны.

Итак, это 3 струны по 15 заглавных букв, что в сумме дает 45 заглавных букв.

К каждой крышке также должен быть прикреплен резистор. Спускные резисторы используются для безопасного разряда каждого конденсатора, чтобы обеспечить безопасное обращение при настройке и транспортировке катушки. Я выбрал резистор 10 МОм 0,5 Вт 3500 В постоянного тока.

Общий дизайн моей конденсаторной батареи выглядит следующим образом:

После того, как я закончил сборку конденсаторной батареи, делая снимки по пути, по какой-то причине изображения конструкции конденсаторной батареи пропали, возможно, были удалены / отформатированы, и моя программа для восстановления данных не смогла их вернуть.

Итак, я не могу показать фотографии того, как я делал батарею конденсаторов, но я постараюсь изо всех сил описать это словами.

Хорошо, я нарисовал схему конденсаторов на бумаге формата А4. Затем я прикинул размер банка, купив 3 акрила такого размера.

Один кусок акрила будет использоваться для крепления конденсаторов. На концах конденсатора просверливались отверстия. Контакты конденсаторов проходили через эти отверстия, чтобы надежно прикрепить их к акрилу.

Мои навыки пайки были ужасными, поэтому мне было трудно спаять точки контакта вместе, чтобы сформировать цепочки конденсаторов.

Затем к каждому конденсатору были добавлены резисторы. И снова, с пайкой, работа была сделана довольно плохо.

Наконец, я просверлил отверстия в 4 углах трех частей акрила. Они будут использоваться для сквозной установки болтов и гаек.

Остальные 2 части акрила предназначены для покрытия конденсаторов из соображений безопасности.Один покрывает заднюю часть со всеми точками контакта и пайкой, а другой закрывает переднюю часть, защищая меня от конденсаторов, а их от меня.

Конденсаторная батарея находится в той части цепи катушки Тесла, где как напряжение, так и ток высокие. Требуется толстый хорошо изолированный медный провод.

Я отмерил необходимую длину конденсаторной батареи. Голый медный сердечник был обнажен в различных точках окончания цепочек конденсаторов. Конечная точка контакта была прикреплена с помощью проволочного наконечника.

Моя паяльная работа выглядит так, как будто ее выполнил пятилетний ребенок.

И наконец заклейка всей голой проводки. Готово! Вид сверху, обнаруживающие конденсаторы.

Общая стоимость конденсаторной батареи более 100 долларов США. Но это намного дешевле, чем покупать промышленный импульсный конденсатор.

Примерно через неделю я решил испытать недостроенную катушку Тесла. Получилось ужасно.

Зигзагообразная компоновка была глупым решением, поскольку ток предпочитал пробиваться через диэлектрический воздух, чем проходить через конденсаторы.

Между двумя соседними точками конденсаторной батареи возникла дуга, во многом благодаря ужасной конструкции Yours Truly. Я мог добавить изоляционный слой между всей цепочкой крышек, но расстояние было настолько маленьким, что я не мог найти подходящий материал.

И вот я решил все это перестроить. Это было последнее, о чем я думал, когда думал о вариантах, но, похоже, у меня не было выбора.

Потратил около часа или двух на распайку всех конденсаторов и резисторов, и мой отец купил мне новые кусочки акрила.На этот раз он будет не зигзагообразным, а просто из трех прямых цепочек заглавных букв.

Бурение заняло некоторое время, но, как я делал раньше, это было немного проще и быстрее…

Затем я вставил колпачки, спаял их вместе.

И, конечно, добавление резисторов…

Соединения на концах выполняются припаиванием толстого провода к 3 точкам контакта.

Электропроводка

Обычно для катушек Тесла требуются толстые хорошо изолированные медные провода из-за большого количества проходящего через них тока и напряжения.Количество обработанной меди в проводе делает его очень дорогим. Я попросил один диаметром 6-8 мм, 7 м, и парень дал мне диаметр 7,2 мм и назвал 47 долларов. Я не мог позволить себе платить столько только за проводку, поэтому попросил другую, меньшего размера. Это примерно 3-4 мм, не совсем то, что я хотел, но вдвое дешевле. Так что 20 долларов + за толстую проводку.

Итак, когда я сделал еще один тестовый прогон, это произошло:

Нет искр на разрядном выводе, но вместо этого на первичной обмотке!

Как видно из рисунка выше, дуга на самом деле возникает в проводе.Да, 20000 Вольт просто проскочили прямо через изоляцию провода. Я думал, что он на самом деле довольно толстый, но нет, мне следовало купить высоковольтные провода (высоковольтные), но это довольно дорого.

Итак, чтобы решить эту проблему, я купил несколько трубок для аквариума, чтобы протянуть их через провода в качестве дополнительной изоляции. Все провода теперь изолированы трубками для аквариума.

Разгрузочный терминал

В верхней части катушки Тесла находится разрядный терминал, что и делает он.Один, как следует из названия, должен действовать как выходной терминал для стримерных разрядов, а другой - как емкостная нагрузка для вторичной катушки.

Может быть двух форм: тороид или сфера. Я не знаю разницы, плюсов и минусов между ними, но понятия не имею, как сделать большую металлическую сферу. Поэтому выбрана тороидальная конструкция.

Коммерческий алюминиевый тороид будет стоить несколько сотен, если не тысяч долларов. Самодельный стоит около 40 долларов.

Вот как я делаю свой тороид.

3 шт. Воздуховоды алюминиевые, досталось мне 3м. Довольно дорого - 30 долларов +. Затем алюминиевая лента. Это около 10 долларов. И, наконец, блюда для пирогов, очень дешевые.

Просверлите пару отверстий в центре и по краям форм для пирога, а затем затяните их вместе болтами и гайками.

Отмерьте необходимую длину алюминиевого воздуховода и вырежьте его. Я использовал алюминиевую ленту, чтобы скрепить концы воздуховода, плотно прилегая к формам для пирога.

Сглаживал внешний вид тороида, добавляя ленты от алюминиевого воздуховода к формам для пирога.

Вторичная обмотка

Вторичная обмотка - это чертовски круто.

Он отвечает за генерирование необходимого очень высокого напряжения, а его конструкция чрезвычайно утомительна.

Во-первых, требуется форма катушки. Провода, намотанные примерно на тысячу витков, полностью охватывают форму катушки, которая должна быть из изоляционного материала.О металлических трубах вообще не может быть и речи по понятным причинам. Вода убивает производительность, поэтому также избегайте картона. Подойдет большинство пластиковых материалов. Обычно используются трубы из ПВХ, потому что их легко найти. Некоторые намотчики Tesla пытались и преуспели в том, чтобы намотать проводку вокруг формы катушки и полностью удалить ее, но на данный момент это выходит за рамки моих возможностей.

Черный ПВХ следует избегать, потому что он содержит углерод, серый работает, но белый - лучше всего.

Я купил 3-дюймовую трубу из ПВХ, 2 фута.При покупке формы катушки важно выбрать правильную длину, так как она сильно повлияет на высоту катушки. Слишком высокий, слишком громоздкий; Слишком короткая катушка Тесла способна поразить сама себя. Здесь играет роль соотношение диаметра к высоте. У меня была ошибка в расчетах, поэтому получилось странное соотношение 1: 6,67. Думаю, для моей катушки это плохо, учитывая, что рекомендуется соотношение от 1: 3 до 1: 6.

Перед тем, как начать, желательно покрыть форму змеевика полиуретановым лаком.

Нанесли слой или два, и после того, как он высох, я сразу приступил к намотке проводов.

Несколько замечаний. Мы должны стремиться к диапазону от 800 до 1200 оборотов, большее или меньшее, кажется, снижает выход (либо из-за повышенного сопротивления, либо из-за низкой индуктивности). Я нацеливаюсь на 1000 ходов.

Я купил 0,5 кг провода 0,5 мм (AWG 24) (довольно дорого, от 30 долларов США). 1000 оборотов должны дать 20 дюймов.

Ранение утомительно. Я ищу слово со значением, аналогичным «утомительным», но с большей степенью страдания.Но пока подойдет утомительное занятие. Чтобы дать вам некоторую перспективу, вот процесс:

Для начала я нашел валяющуюся вешалку для полотенец. Ладно, не совсем "валяется", но взял это от мамы.

Разорвав его и реконструировав, я получил эту маленькую новаторскую штуку.

Намотка была невероятно утомительной, поскольку я прибегал к этому.

Я потратил 5-6 часов на намотку и намотку. Для развлечения я сделал это перед компьютером, пока смотрел все оставшиеся серии CSI и Lost, которые у меня остались.

Началось в 17:00, а около 23:00 было так:

Я подсчитал и решил, что повредил около 240 м медной проводки. О, боль!

На самом деле я начал очень хорошо, с хорошими и плотными обмотками. Я потерял терпение на полпути, и оттуда все стало неряшливо. Надеюсь, это не сильно повлияет на работу катушки.

Я еще не доработал дизайн того, как вторичная обмотка будет прикреплена к тороиду, но это должно выглядеть так.

Как я упоминал ранее, я обнаружил, что количество витков на моей вторичной катушке было слишком большим, почти 1000 витков. Это дает слишком высокое отношение диаметра формы к длине катушки, равное 6,67. Рекомендуемое максимальное соотношение - 6, что я намного выше. Я решил потратить некоторое время на раскручивание витков, чтобы получить длину катушки 18 дюймов из 20 дюймов.

Завершение вторичной катушки осуществляется путем прикрепления ее к алюминиевой ленте и использования перфоратора для подключения к концу заземляющего наконечника.

Штанга заземления

Заземляющий стержень, даже если он звучит незначительно, играет важную роль. Большинство компонентов необходимо заземлить не только из соображений безопасности, но и для их работы. Я решил использовать один заземляющий стержень со множеством подключений к нему, так как я не хотел, чтобы слишком много стержней врезались в землю.

Я начал с толстого медного провода и 1-дюймовой медной трубы длиной в фут.

Я просто просверлил медную трубку, вставил болт и гайку и прикрепил медный провод с проволочным наконечником на конце.

Стержень заземления должен быть забит в землю надежно и глубоко.

Искровой разрядник

Искровой разрядник действует как выключатель питания для первичного контура бака. Он использует воздух для проведения электричества между электродами и при этом выделяет много тепла.

Звучит достаточно просто, но Spark Gap - единственный компонент, на который я тратил больше всего времени. Около 20 часов легко. Существует множество проектов Spark Gaps, и было довольно сложно выбрать один из них.

Существует два основных типа искровых промежутков. Статический, не связанный с движением электродов, отсюда и название. И экзотический тип, в котором электроды вращаются для повышения производительности. Схема вращающегося искрового промежутка была слишком сложной, поэтому я остановился на статическом искровом промежутке.

Конструкция статического искрового промежутка может отличаться от простой, например:

Однако зазор обычно делится на множество более мелких зазоров, соединенных последовательно.Это сделано по двум причинам; 1) Чем больше у вас зазоров, тем с большей мощностью он может справиться; 2) Можно изменять напряжение зажигания промежутка, изменяя количество электродов в цепи (перемещая соединительные провода).

При этом вы получаете многосерийный статический искровой разрядник, который я выбрал для создания. Этот дизайн для этого сильно различается, и он имеет большое значение по цене, эффективности, выполнимости, затраченному времени и т. Д. У разных людей будут разные предпочтения в большом количестве доступных дизайнов.После нескольких часов поиска в Интернете я нашел дизайн, который мне понравился. Это парень по имени Скотт. Какой Скотт, я не знаю, но сколько там Скоттов, которые используют Tesla Coiler?

Итак, я приступил к этому.

Два куска прозрачного акрила, просверленные и поддерживаемые стержнями с резьбой по 4 углам. Стержни с резьбой действительно раздражали пилу и пилку.

Я нашел алюминиевые U-образные профили правильного размера! И снова пилить было настоящей болью.

И их выравнивание…

Электроды! Медные трубы, удерживаемые из акрила алюминиевыми U-образными профилями.

После многочасового бурения…

Последний собранный статический искровой разрядник Multi Series! Соединения крепились к болтам и гайкам, поддерживающим медную трубу и U-образные профили.

Тогда еще одно разочарование. В одном из тестовых запусков, откладывая настройку, чтобы завершить день, я уронил Spark Gap.Он очень сильно сломался и выглядел так, будто полностью вышел из строя. Я потратил на этот искровой разрядник целый день и, возможно, больше, что-то вроде 6 часов непрерывной утомительной технической работы, и видеть, как он ломается, было совершенно отстойным чувством.

Мне пришлось построить еще один, но я сказал себе: «Ни в коем случае не еще 6 часов сверления, пиления и т. Д.», И поэтому я импровизировал. Придумал новый дизайн, и с его помощью появился шанс улучшить ситуацию.

Я нашел эти Г-образные металлические детали где-то в доме, и мне в голову пришла идея.Я попросил у папы еще, и он достал целую коробку.

И я купил 2 твердые пластиковые линейки, которые служат опорой, и они также обеспечивают точные измерения расстояния искрового промежутка.

Необходимо настроить искровой промежуток, чтобы катушка Тесла могла достичь максимальной производительности.

Для этого я подключил разрядник только к трансформатору 15000В. Оттуда я отрегулировал расстояние между электродами так, чтобы добиться максимального расстояния искрового промежутка, который соответствует максимальному проходящему через него напряжению.

Первичная обмотка

Первичная катушка и основной конденсатор резервуара образуют первичный резонансный контур. Для правильной работы катушка Тесла должна иметь идентичные первичные и вторичные резонансные частоты.

О моей первичной катушке мало что можно сказать. По сути, это моток медной трубы, намотанный плоской блинной спиралью. Диаметр самого внутреннего витка должен быть на 2 дюйма больше диаметра вторичной катушки, и он закручивается по спирали, сохраняя зазор 1/4 дюйма между соседними витками.Общее количество необходимых витков зависит от значений других компонентов схемы, но максимум 10-15 витков будет хорошим числом.

Медные трубки, обычно используемые в системах центрального отопления, идеально подходят для изготовления первичных змеевиков. Он имеет большую гладкую поверхность, которая идеально подходит для работы с высокими частотами / высоким напряжением, и его легко сгибать вручную.

Хорошим материалом для монтажа высоковольтных компонентов является полиэтилен высокой плотности (HDPE), который легко достать в виде разделочных досок.Это то, что я буду использовать для поддержки трубки. Если вы используете древесину, ее следует просушить и покрыть лаком, чтобы гарантировать, что она действует как изолятор.

Сначала вырезал пилой полосы из ПНД.

После этого я просверлил отверстия во всех полосах, через которые будут проходить медные трубки.

Итак, я сел перед телевизором и начал продевать опоры через медную катушку.

Вот и готово!

Много недель спустя, когда я успешно протестировал испытанную катушку, мне удалось получить дугу 25-27 см… но характеристики катушки Тесла были ограничены.

Проблема была с первичной обмоткой. У меня был отвод первичной обмотки на катушке номер 8, с улучшением характеристик по мере увеличения количества витков. Моя первичная катушка, к сожалению, имела всего 8 витков. Работа моей катушки Тесла была ограничена, в первую очередь, моей первичной катушкой!

Если бы у меня были более длинные медные трубки и, следовательно, больше витков в первичной катушке, я бы смог добиться гораздо большей производительности. Очень жаль, что первичная катушка не позволяет мне достичь резонанса.

Итак, я купил новую 50-футовую медную трубку для своей новой первичной обмотки. По сравнению с моей 18-футовой старой первичной катушкой, у меня никогда не должно закончиться оборотов, от которых я мог бы отводить.

Целый день работал над этим. После 4 часов пиления, сверления, забивания молотком.

На этот раз я сделал это немного по-другому, потому что научился на собственном опыте. Продевать через опоры было мучительно утомительно, поэтому я поумнел и сделал это по-другому.Вместо того, чтобы продеть его насквозь, я просто сделал узкие выступы с небольшими отверстиями в опорах. Оттуда я могу просто вставить медные трубки, чтобы они хорошо вошли в выступы опор.

К первичной обмотке необходимо выполнить два электрических соединения; фиксированное соединение на одном конце катушки и подвижная точка отвода для подключения к любой точке катушки. Это то, что позволяет нам настраивать частоту первичного контура резервуара в соответствии с естественным резонансом вторичного контура.

Подвижное соединение отвода первичной обмотки было выполнено с помощью держателя предохранителя. Он был разработан для установки предохранителей, но, осторожно согнув его плоскогубцами, можно получить хорошее соединение с медной трубкой. На самом деле мне потребовалось много модификаций, чтобы заставить его хорошо соединиться с толстым медным проводом.

Фиксированное соединение выполняется путем скручивания внутреннего конца медной трубки вниз, и я приклеил проволочный наконечник, чтобы обеспечить хороший электрический контакт.

Стенд

Я решил создать подходящую подставку, чтобы упростить настройку, улучшить внешний вид и удобство хранения, когда я закончу с ней.Итак, несколько недель назад (на самом деле почти месяц) я попросил отца выступить за это. Я описал ему, что хочу: две палубы, 4 опоры, на колесах.

Через неделю или две он сделал это, но я продолжал просить мелкие исправления и изменения. Это выглядело действительно некрасиво с желтым, белым, серым и коричневым. Четыре опоры представляют собой трубы из ПВХ, а деревянные блоки используются для удержания предметов на месте.

Если я и чему-то научился у Apple iPod, так это тому, что Immaculate White выглядит потрясающе.

S $ 9.00 за белую аэрозольную краску. Глупые iPod учат глупым вещам.

Я потратил почти 2 дня на постоянную установку катушки Тесла на подставку. Мне пришлось просверлить больше отверстий, добавить больше деревянных блоков, чтобы удерживать предметы на месте, просверлить крючки, отрегулировать длину проводов, чтобы они соответствовали конструкции, и т.д., и, наконец, снова покрасить распылением их в белый цвет.

В конструкции были функции и особенности, в том числе:

Крюк для удержания длинного провода заземления и медного стержня заземления.Так что теперь это намного проще и удобнее.

Трансформатор 15 кВ, искровой разрядник и батарея конденсаторов удобно расположены на нижней палубе. Все кабели изолированы трубками для аквариума и укорочены, чтобы поддерживать их в чистоте и порядке. Трансформатор тоже на колесах, так как я не могу перемещать установку с катушкой Тесла. Один только трансформатор, возможно, тяжелее, чем остальная часть катушки Тесла.

Тороид жестко установлен поверх вторичной обмотки.

Первичный змеевик поддерживается 4 трубками из ПВХ.

И, наконец, полностью завершенная установка катушки Тесла.

Красавица, не правда ли?


Тесты

Я провел много тестовых прогонов со всей собранной установкой, и примерно половина из них была неудачной. Но я не буду документировать их все. Вместо этого ниже приведены только успешные тесты.

Тест 1: Первый свет

Столкнувшись с таким количеством проблем и неудач во всех предыдущих тестовых запусках, я вошел в этот тест с мышлением, что это-будет-еще-еще-пробный-запуск-с-проблемами-которые-я-должен-исправить.

Искровой разрядник вообще не настраивался, но я все равно запустил полную настройку. Первичная обмотка была задействована на 7-м витке. Было уже довольно поздно, около 20:00, но мне нужна была темнота.

… и ВКЛЮЧАЙТЕ!

Искровой разрядник горел очень громко; опасная вещь, на которую можно смотреть, поскольку она излучает ультрафиолетовые лучи. Но потрясающая искра на разрядном выводе намного красивее.

Увеличенное изображение.

Замечательный спектакль! Наконец-то первый свет от разрядной клеммы!

Я уверен, что при правильной настройке его производительность может быть увеличена примерно в 3-5 раз по сравнению с пробным запуском.

Я измерил диаметр тороидального разрядного вывода, сравнил его с длиной искры на фотографии и оценил, что он составляет 8 см.

Поскольку у меня нет подходящего метода измерения чрезвычайно высокого напряжения, давайте сделаем некоторые приблизительные оценки.

В электрическом поле (создаваемом разрядным выводом в форме тороида) электрический пробой воздуха соответствует примерно 30 000 В / см.

Таким образом, сфотографированная дуга длиной 8 см составляет около 240000 В.0,5 Vмакс = 495300 В

Эта формула каким-то образом дает моей катушке плохую максимальную длину искры 16 см. При использовании другой формулы (приведенной выше в разделе «Источник питания / трансформатор») получилось 91,64 см.

Тест 2: Ограничено первичной обмоткой

18:00, я решил вытащить всю свою установку Tesla Coil на улицу. Починил кое-что, настроил камеру, предупредил моих братьев и сестер / родителей о шуме, который я собирался создать, забил стержень заземления…

К тому времени стемнело…

Я всегда ненавижу удары по заземляющему стержню.Мой сад на заднем дворе теперь квалифицируется как поле для гольфа.

Точка отрыва - это просто неинтересный алюминиевый стержень, прикрепленный к тороиду. Ленты будут извергаться из этой точки прорыва, а не вспыхивать случайным образом.

И я загорелся!

Глупый я. Я даже не подключил первичный ответвитель к первичной катушке. Результат? Серьезное искрение, когда ток пытается замкнуть цепь.

Что я нашел невероятным, так это то, что, несмотря на огромные потери энергии при искрообразовании, катушка работала! См. Верхнюю часть точки прорыва, которая слегка изгибается по отношению к заземленному стержню справа.

Итак, я исправил проблему с первичным ответвлением и попытался снова.

Появились гоночные искры. Это происходит, когда есть искра от первичной обмотки к вторичной обмотке. И через некоторое время (из-за множества попыток) это стало серьезной проблемой.

Гоночные искры возникают, когда катушка имеет одно или несколько из следующего:

- Чрезмерно высокое сцепление
- Система с повышенной мощностью
- Плохое гашение в искровом промежутке
- Несоответствие, слишком большой тороид
- Чрезмерно большой первичный конденсатор

Неважно, в какую мою попадет, но мне это не понравилось.

У меня не было выбора, кроме как изменить уровень первичной катушки, сделав его ниже. Это будет связано с опорами для труб из ПВХ (на которые я потратил много усилий) и вернуться к временным опорам.

И это сработало идеально!

Я решил поставить рядом с установкой люминесцентную лампу. Это совершенно ни с чем не связано. Просто лежал. И МАГИЯ!

Хорошо, если вы кое-что знаете об электрических полях.

Известно, что электрические поля катушек Тесла (да, даже самодельные) настолько сильны, что могут создавать помехи для телевизионных сигналов и делать любые цифровые устройства, которые вы носите, бесполезными. Большинство коммерческих катушек Тесла помещено в клетку Фарадея как таковую.

Когда все НАКОНЕЦ заработало (почти больше часа), настало время утомительной настройки.

Мне пришлось настроить частоту первичной катушки в соответствии с частотой вторичной катушки, чтобы они находились в резонансе и производили максимальную мощность.Это делается путем изменения положения первичного ответвителя в разных точках первичной катушки.

И я начал настраивать, и удаление точки прорыва…

И обратно с точкой прорыва в позиции:

Обычно намотчики Tesla должны найти идеальное количество витков для намотки первичной обмотки. Слишком много оборотов или слишком маленький резонанс не будет достигнут.

У меня был другой случай. Все началось так…

Когда я пошел покупать компоненты для своей катушки, я купил гибкую медную трубку, чтобы сделать первичную катушку у какой-то старушки.Ранее мне говорили, что цена на медь за последние годы взлетела до небес. Она брала с меня 12 долларов за метр, я купил их на 66 долларов.

Когда я сделал свою первичную катушку, она дала мне 8 витков, что довольно мало. Но, думаю, большего я себе позволить не мог. Однажды мне сказали, что я могу купить медную трубку по цене 25 долларов за 50 футов. И что старушка меня обманула.

Grah. Я мог бы пройти вдвое больше поворотов за 25 долларов, по сравнению с 8 жалкими поворотами за 25 долларов.

Вернувшись туда, где мы были, я понял, что производительность катушки Тесла увеличивается с количеством витков. На 7-м повороте образовалась искра 25см.

Итак, у меня был первичный ответвитель на 8-м ходу, максимум.

Если бы у меня были более длинные медные трубки и, следовательно, больше витков в первичной катушке, я бы смог добиться гораздо большей производительности. Очень жаль, что первичная катушка не позволяет мне достичь резонанса.

Как бы я ни хотел завершить проект Tesla Coil сегодня раз и навсегда, я думаю, что будет разумнее, если я куплю новую более длинную трубку и настрою катушку на ее максимальную производительность, а не ограничиваясь первичными витками.Так что этот проект будет снова расширен.

Максимальная искра сегодня была примерно 25-27 см! С моей катушкой мощностью 450 Вт я должен получить как минимум 40-50 см искр. Но пока это лучший результат.

Звук от катушки Тесла пугающе громкий. Мне удалось запустить его довольно много раз сегодня (кажется, более 10 раз), потому что соседи справа были далеко от дома. Я забыл о соседях слева, поэтому они услышали это и подумали, что это их домашняя сигнализация (Да! ТАК громко.). Поэтому они вынули батарейки из домашней сигнализации и вернулись к своим делам. Представьте, что случилось, когда меня нашли. Ургх.

Вот результаты на сегодня!

Тест 3: финал

В течение нескольких недель после испытания 2 я починил первичную катушку, сделав новую. Однако пройдут месяцы, прежде чем я смогу провести какие-либо тесты с новой первичной катушкой из-за всех моих обязательств и школьной работы.

Когда наступили июньские каникулы, моя семья решила отправиться в путешествие по Европе, тем самым отложив мои планы окончательно закончить катушку Тесла раз и навсегда.

Итак, еще через три месяца наступили сентябрьские каникулы. Идеально.

Я достал катушку Тесла, покрытую видимым слоем пыли после СЕМЬ месяцев нетронутой.

Медь первичной обмотки, очевидно, была окисленной, с более темным и менее отражающим видом. Это может снизить производительность, но я все равно пошел дальше.

Также расшатался разрядник. Я не хотел тратить время на то, чтобы снова довести его до совершенства и максимальной производительности, поэтому я просто затянул его и подключил к системе.

После тщательной очистки я перенес настройку в резервную копию, и все было готово!

Катушка Тесла началась с очень слабого дисплея…

Затем я настроил первичный отвод, чтобы настроить катушку…

Я перешел с Turn 9.5 на 8.5 и обнаружил, что это значительно повысило производительность. Я перешел на 7.5, но производительность упала, но не так сильно, как в Turn 9.5

Итак, я прикинул, что идеальное место отвода находится где-то между 7 поворотом.5 и 8.5, поэтому я перешел на 8-й поворот.

Отсюда точная настройка показывает очень незначительные улучшения, если они вообще есть. Но мне показалось, что Turn 8 выглядит немного лучше, чем Turn 8.5, поэтому я попытался настроить его еще больше.

Я установил положение ответвления на 7,75, что, как и следовало ожидать, имело еще более незаметную разницу. Я не был уверен, был ли поворот 7.75 лучше, чем поворот 8, но мой папа сказал, что так оно и есть.

Итак, я остановился на Turn 7.75 и сделал оттуда пару фотографий.Видео включено!

На этот раз я измерил расстояние между точкой прорыва и целью, в которую попали дуги молнии, и оно оказалось около 40-50 см! Это соответствует примерно 1 350 000 В! Сладкий!

Это должно закончиться моим путешествием с катушкой Тесла. С тех пор, как я начал работу над проектом 28 февраля 2007 года, до сегодняшнего дня прошел очень долгий путь. Больше полутора лет.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *