Электроника:Переменный ток/Трансформаторы/Конфигурации обмотки

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Конфигурации обмотки

Трансформаторы с несколькими вторичными обмотками

Трансформаторы – универсальные устройства. Базовая концепция передачи энергии между взаимными индуктивными элементами хорошо работает, если у нас одна первичная и одна вторичная обмотки. Но трансформатор не обязательно содержит только две обмотки. Рассмотрим такую схему трансформатора:

Рис. 1. Трансформатор с несколькими вторичными обмотками обеспечивает несколько выходных напряжений.

Здесь три катушки индуктивности имеют общий магнитный сердечник, магнитно «связывающий» их вместе. Зависимость между коэффициентами витков обмотки и отношениями напряжений, наблюдаемые с одной парой взаимных индукторов, всё ещё сохраняется в таких случаях и для нескольких пар катушек.

Можно даже собрать трансформатор, подобный приведённому выше (одна первичная обмотка, две вторичные обмотки), в котором одна вторичная обмотка является понижающей, а другая - повышающей.

Фактически, такая конструкция трансформатора была довольно распространена в цепях питания вакуумных ламп, которые требовались для подачи низкого напряжения на нити ламп (обычно 6 или 12 вольт) и высокого напряжения для пластин ламп (несколько сотен вольт) от источника питания с номинальным первичным напряжением 110 вольт переменного тока. С таким трансформатором возможно получать не только напряжения и токи совершенно разных величин, но при этом все цепи будут электрически изолированы друг от друга.

Рис. 2. Фотография многообмоточного трансформатора с шестью обмотками: одна первичная и пять вторичных обмоток.

Трансформатор на этом рисунке предназначен для обеспечения как высокого, так и низкого напряжения, необходимого в электронной системе с использованием электронных ламп. Низкое напряжение требуется для питания нитей вакуумных трубок, в то время как высокое напряжение требуется для создания разности потенциалов между пластиной и катодными элементами каждой трубки.

Одного трансформатора с несколькими обмотками достаточно, чтобы обеспечить все необходимые уровни напряжения от одного источника на 115 В. Провода для этого трансформатора (их 15!) на фотографии не показаны, они скрыты под кожухом.

Если электрическая изоляция между вторичными цепями не имеет большого значения, аналогичный эффект может быть получен путём «отведения» одной вторичной обмотки в нескольких точках по её длине, как показано на рисунке ниже.

Рис. 3. Вторичная обмотка с отводами обеспечивает несколько напряжений.

Многополюсный коммутирующий трансформатор

Ответвитель – это не что иное, как соединение проводов, сделанное в некоторой точке обмотки между концами. Неудивительно, что соотношение между количеством витков обмотки и величиной напряжения обычного трансформатора сохраняется для всех сегментов обмотки с отводами. Это можно использовать для создания трансформатора с несколькими передаточными числами:

Рис. 4. Вторичная обмотка с отводами, использующая переключатель для выбора одного из многих возможных напряжений.

Переменный трансформатор

Развивая концепцию отводов обмотки, можно сконструировать «регулируемый трансформатор», в котором скользящий контакт перемещается по длине открытой вторичной обмотки, и может соединяться с ней в любой точке по её длине. Эффект эквивалентен наличию отвода обмотки на каждом витке обмотки и переключателя с полюсами на каждом положении отвода:

Рис. 5. Скользящий контакт на вторичной обмотке может плавно изменять вторичное напряжение.

Одно из потребительских применений переменного трансформатора – это регуляторы скорости для модельных поездов, особенно поездов 1950-х и 1960-х годов. Эти трансформаторы были, по существу, понижающими блоками, при этом максимальное напряжение, получаемое от вторичной обмотки, было существенно меньше, чем первичное напряжение, составляющее от 110 до 120 вольт переменного тока.

Контакт с регулируемой развёрткой обеспечивает простое средство управления напряжением с небольшими потерями энергии. И это гораздо эффективное, чем управление с использованием переменного резистора!

Подвижно-скользящие контакты слишком непрактичны для использования в крупных промышленных силовых трансформаторах, но многополюсные переключатели и отводы обмотки являются обычным явлением для регулировки напряжения. В энергосистемах необходимо периодически производить регулировку, чтобы приспособиться к изменениям нагрузки, накапливающимся в течение месяцев или лет во времени, и эти схемы переключения как раз удобны для этого.

Как правило, подобные «переключатели отводов» не предназначены для работы с током при полной нагрузке, а должны срабатывать только тогда, когда трансформатор обесточен (если отсутствует питание).

Автотрансформатор

Учитывая, как мы можем отвести любую обмотку трансформатора, получая при этом эквивалент нескольких обмоток (хотя и с потерей гальванической развязки между ними), можно полностью отказаться от электрической изоляции и построить трансформатор, состоящий всего из одной обмотки. Это, на самом деле, возможно, и получившееся устройство называется автотрансформатором:

Рис. 6. Этот автотрансформатор повышает напряжение с помощью единственной обмотки с отводами, экономя медь и жертвуя изоляцией.

Изображённый выше автотрансформатор является повышающим. Понижающий автотрансформатор будет выглядеть примерно так, как показано на рисунке ниже.

Рис. 7. Этот автотрансформатор понижает напряжение с помощью одной медной обмотки с отводами.

Автотрансформаторы часто используются там, где повышать или понижать напряжение на нагрузке нужно в небольших пределах.

Альтернативная разновидность – когда используются обычные (изолированные) трансформаторы с правильным соотношением витков на первичной/вторичной обмотках: это понижающие конфигурации с вторичной обмоткой, которая подключена либо последовательно-помогающим («повышающим») либо последовательно-противодействующим («понижающим») способом. Для иллюстрации того, как это будет работать, приведём первичные/вторичные напряжения и напряжения нагрузки.

Конфигурации автотрансформатора

Во-первых, «разгоняющая» («повышающая») конфигурация. На рисунке ниже полярность вторичной катушки ориентирована так, что её напряжение напрямую добавляется к первичному напряжению.

Рис. 8. Обычный трансформатор, подключённый как автотрансформатор для повышения сетевого напряжения.

Далее «раскладывающаяся» («понижающая») конфигурация. На рисунке ниже полярность вторичной катушки ориентирована так, что её напряжение напрямую вычитается из первичного напряжения:

Рис. 9. Обычный трансформатор, подключённый как автотрансформатор для понижения сетевого напряжения.

Основное преимущество автотрансформатора заключается в том, что та же функция повышения или понижения достигается только с одной обмоткой, что делает его дешевле и проще в производстве, чем обычный (изолирующий) трансформатор, имеющий как первичную, так и вторичную обмотки.

Автотрансформатор с переменной частотой вращения

Как и у обычных трансформаторов, обмотки автотрансформатора могут иметь отводы для изменения коэффициента передачи. Кроме того, их можно сделать плавно регулируемыми с помощью скользящего контакта, чтобы подсоединяться к обмотке в любой точке по её длине.

Последняя конфигурация оказалась настолько популярной, чтобы получила собственное имя: вариак.

Рис. 10. Вариак – автотрансформатор со скользящим контактом.

Небольшие вариаки используются как настольные приборы – это популярное оборудование для экспериментаторов в области электроники, поскольку они могут понижать (а иногда и повышать) напряжение переменного тока, регулируя его в широком и точном диапазоне посредством простого вращения ручки-регулятора.

Итог

• Трансформаторы могут быть оснащены бо́льшим количеством обмоток, чем просто одной парой первичная/вторичная катушки. Это позволяет использовать несколько коэффициентов повышения и/или понижения в одном устройстве.
• Обмотки трансформатора также могут иметь «отводы»: то есть подсоединения во многих точках, что позволяет использовать одну обмотку в разных секциях схемы.
• В переменных трансформаторах используется подвижный ползунок, который перемещается по длине обмотки, контактируя с обмоткой в любой точке по её длине. Обмотка, конечно, должна быть оголённой (без изоляции) в области движения ползунка.
• Автотрансформатор представляет собой одинарную катушку индуктивности с отводами, используемую для повышения или понижения напряжения. Применяется как обычный трансформатор, но стоит учесть, что последний обеспечивает электрическую изоляцию.
• Вариак – это переменный автотрансформатор.