Эрл Гейтс - Введение в электронику

Если предположить, что трансформатор не имеет потерь, то мощность во вторичной обмотке должна равняться мощности в первичной. Хотя трансформатор может повышать напряжение, он не может увеличивать мощность. Мощность, снимаемая со вторичной обмотки никогда не может быть больше мощности, потребляемой первичной обмоткой. Следовательно, когда трансформатор повышает напряжение, он понижает ток, и выходная мощность остается равной входной. Это может быть выражено следующим образом:

P P= P S

( I P)( E P) = ( I S)( E S).

Следовательно, ток обратно пропорционален коэффициенту трансформации:

I P/ I S = N S/ N P

ПРИМЕР: Трансформатор имеет коэффициент трансформации 10:1. Если по первичной обмотке течет ток 100 миллиампер, то какой ток течет по вторичной обмотке?

(Замечание: первая цифра в коэффициенте трансформации относится к первичной обмотке, а вторая цифра — ко вторичной).

Дано:

Np= 10; Ns = 1; Ip = 100 мA = 0,1 A.

Is =?

Решение:

Ip/ Is = Ns/ Np

0,1/ Is = 1/10

Is = 1 A

Важным применением трансформаторов является согласование импедансов. Максимальная мощность передается только тогда, когда импеданс нагрузки равен импедансу источника сигнала. Когда импедансы не согласованы, мощность передается не полностью.

Например, если транзисторный усилитель может эффективно возбуждать 100-омный усилитель, то он не сможет эффективно раскачать 4-омный громкоговоритель. Использование трансформатора между транзисторным усилителем и громкоговорителем поможет согласовать импедансы. Это достигается выбором соответствующего коэффициента трансформации.

Отношение импедансов равно квадрату коэффициента трансформации:

Zp/ Zs = ( Np/ Ns) 2

ПРИМЕР: Какой должен быть коэффициент трансформации трансформатора для согласования 4-омного громкоговорителя с 100-омным источником сигнала?

Дано:

Zp = 100; Zs = 4.

Np =?; Ns =?

Решение:

Zp/ Zs = ( Np/ Ns) 2

100/4 = ( Np/ Ns) 2

√(25) = Np/ Ns

5/1 = Np/ Ns

Коэффициент трансформации равен 5:1.

18-3. Вопросы

1. Чем определяется, какой это трансформатор — повышающий или понижающий?

2. Напишите формулу для определения коэффициента трансформации трансформатора.

3. Напишите формулу для определения напряжения через коэффициент трансформации трансформатора.

4. Чему равно напряжение на вторичной обмотке трансформатора, имеющего 100 витков первичной обмотки и 1800 витков вторичной, при приложенном напряжении 120 вольт?

Трансформаторы имеют множество применений. Среди них: повышение и понижение напряжения и тока, согласование импедансов, сдвиг фаз, гальваническая развязка, блокирование постоянного тока при пропускании переменного и вывод нескольких сигналов с разными уровнями напряжения.

Передача электроэнергии к потребителям требует использования трансформаторов. Электростанции расположены рядом с источниками сырья и природной энергии, и электроэнергия часто должна передаваться на большие расстояния. Провода, используемые для передачи энергии, имеют сопротивление, приводящее к потерям мощности при передаче. Мощность равна произведению тока на напряжение:

Р= I∙ E.

Закон Ома утверждает, что ток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению:

I= E/ R

Следовательно, величина потерь мощности пропорциональна сопротивлению линии. Самый легкий путь уменьшения потерь мощности — это уменьшение тока.

ПРИМЕР: Электростанция вырабатывает 8500 вольт при 10 амперах. Сопротивление линии передачи 100 ом. Чему равны потери мощности в линии?

Дано:

I = 10 A; R = 100 Ом

P =?; E =?

Решение:

Сначала найдем падение напряжения на линии.

I = E / R

10 = E /100

Е = 1000 В.

Используя Е , найдем потерю мощности.

Р = IE = (10)(1000)

Р = 10000 Вт.

Каковы будут потери мощности, если мы с помощью трансформатора повысим напряжение до 85000 вольт при 1 ампере?

Дано:

I = 1 A; R = 100 Ом

E =?

Решение:

Сначала найдем падение напряжения на линии.

I = E / R

1 = E /100

Е = 100 В.

Используя Е , найдем потерю мощности.

Р = IE = (1)(100)

Р = 100 Вт.

Способ намотки трансформатора определяет, будет ли он производить фазовый сдвиг напряжения обмоток. Знак фазового сдвига определяет тип включения трансформатора. Замечание: знак фазы можно изменить, поменяв местами выводы на нагрузке (рис. 18-5).

Рис. 18-5. Трансформатор можно использовать для создания фазового сдвига.

Если к трансформатору приложить постоянное напряжение, то после установления магнитного поля во вторичной обмотке э.д.с. наводиться не будет. Для индуцирования напряжения во вторичной обмотке необходимо изменение тока. Трансформатор можно использовать для гальванической развязки вторичной обмотки и любого постоянного напряжения в первичной (рис. 18-6).

Рис. 18-6. Трансформатор может быть использован для блокирования постоянного напряжения.

Трансформаторы используются для гальванической развязки электронного оборудования и сети переменного тока 120 вольт, 60 герц при его тестировании (рис. 18-7).

Рис. 18-7. Трансформатор гальванической развязки предотвращает поражение электрическим током, изолируя оборудование от земли.

Причина использования трансформатора — предотвращение поражения электрическим током. Без трансформатора один вывод источника тока соединяется с шасси прибора. Когда шасси удаляется из корпуса, появляется опасность поражения электрическим током. Это может произойти с большей вероятностью, если сетевой шнур подключен определенным образом. Трансформатор предотвращает электрический контакт оборудования с землей. Развязывающий трансформаторне повышает и не понижает напряжение.

Автотрансформатор— это устройство, используемое для повышения или понижения приложенного напряжения и представляющее собой специальный трансформатор, в котором одна обмотка является частью другой. На рис. 18-8(А) изображен автотрансформатор, понижающий напряжение. Напряжение понижается потому, что вторичная обмотка содержит меньшее число витков. На рис. 18-8(Б) изображен автотрансформатор, повышающий напряжение. Напряжение повышается потому, что вторичная обмотка содержит большее число витков. Недостаток автотрансформатора в том, что вторичная обмотка не изолирована от первичной. Преимущество — он дешевле и проще в изготовлении, чем трансформатор.