Трансформатор, вообще, представляет собой аппарат, предназначенный для преобразования посредством магнитного поля электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения при условии сохранения неизменной частоты. Они строятся на базе индуктивно-связанных катушек, надетых на общий сердечник (рис.8.1). У воздушного трансформатора сердечник неферромагнитный.
Обмотка трансформатора, подключенная к источнику с напряжением u 1 , называется первичной обмоткой, а обмотка, к которой подключается нагрузка Z н , называется вторичной обмоткой. Число витков первичной обмотки обозначим через w 1 , а число витков вторичной обмотки — через w 2 .
При подключении первичной обмотки к источнику в последней появляется ток 
, создающий магнитный поток Ф 11 . Часть этого потока Ф м1 , называемая потоком взаимоиндукции первичной обмотки, пронизывает витки вторичной обмотки и обуславливает появление ЭДС 
в витках вторичной обмотки. Под действием этой ЭДС в цепи нагрузки появляется ток 
, создающий поток вторичной обмотки Ф 22 . Часть потока, создаваемого током 
— Ф м2 , пронизывает витки первичной обмотки, замыкаясь встречно потоку Ф м1 первичной обмотки /в соответствии с принципом Ленца/, обуславливающим ЭДС 
и ток 
. Таким образом, первичную и вторичную обмотки трансформатора можно рассматривать как две индуктивно-связанные и встречно включенные катушки.
Основные уравнения и векторная диаграмма воздушного трансформатора
Поскольку первичная и вторичная обмотки трансформатора с параметрами соответственно R 1 ,L 1 и R 2 ,L 2 представляют собой 2 индуктивно связанные и встречно включенные катушки, уравнения Кирхгофа, составленные для цепей первичной и вторичной обмоток можно записать в следующем виде
,
где u R1 , u R1 — напряжения на активных сопротивлениях первичной и вторичной обмоток трансформатора, u L1 , u L2 — напряжения на индуктивностях первичной и вторичной обмоток, u м12 — напряжение взаимоиндукции в первичной обмотке, обусловленное током вторичной обмотки, u м21 — напряжение взаимоиндукции во вторичной обмотке, обусловленное током первичной обмотки, u 2 — напряжение на нагрузке.
Поскольку ток во вторичной обмотке обусловлен напряжением взаимоиндукции u м21 , то это слагаемое во втором уравнении целесообразно перенести в левую часть и записать систему в виде
. (8.1)
Если напряжение на первичной обмотке трансформатора синусои-дально, то систему (8.1) можно записать в комплексной форме
(8.2)
Графической интерпретацией системы (8.2) является векторная диаг-рамма воздушного трансформатора, представленная на рис. 8.2.
При построении диаграммы считаются заданными векторы тока и напряжения на нагрузке 
, 
. Данная диаграмма соответствует активно-индуктивной нагрузке. Диаграмма строится в следующем порядке:
(r) 
(r) 
(r) 
(r) (r) 
(r) 
(r) 
(r) 
(r) 
(r) 
Входное сопротивление трансформатора.
Вводя понятия комплексного сопротивления первичной обмотки
Z 1 =R 1 +j w L 1 , комплексного сопротивления вторичной обмотки Z 2 =R 2 +j w L 2 и комплексного сопротивления нагрузки Z н , систему (8.2) запишем в виде
(8.3)
Находя из второго уравнения системы (8.3) ток
и подставляя его в первое уравнение системы, получим
.
Из последнего выражения найдем входное сопротивление трансформатора в виде
= Z 1 + Z вн .
Следовательно, входное сопротивление трансформатора можно представить суммой 2 составляющих : комплексного сопротивления соб-ственно первичной обмотки трансформатора Z 1 и комплексного сопро-тивления Z вн , вносимого из вторичной цепи трансформатора в первичную. Именно изменением этой составляющей можно объяснить изменение тока первичной обмотки трансформатора с изменением его нагрузки.
Уравнения электрического состояния воздушного трансформатора.
В силу того , что поток Ф 11 , создаваемый током первичной обмотки трансформатора имеет 2 составляющие, т.е. Ф 11 = Ф s 1 +Ф м1 , индуктивность первичной обмотки также можно представить в виде суммы двух составляющих L 1 = L s 1 +L м1 первая из которых обусловлена потоком рассеяния первичной обмотки и называется индуктивностью рассеяния первичной обмотки L s 1 , а вторая L м1 обусловлена потоком взаимоиндукции первичной обмотки — Ф м1 и определяется выражением
L м1 = Ф м1 w 1 / i 1 = ( i 1 w 1 l м )w 1 w 2 /( i 1 w 2 )= (w 1 / w 2 )M.
Рассуждая аналогично, индуктивность вторичной обмотки также можно представить в виде суммы двух составляющих L 2 = L s 2 +L м2 , где
L м2 = Ф м2 w 2 / i 2 = ( i 2 w 2 l м )w 2 w 1 /( i 2 w 1 )= (w 2 / w 1 )M.
С учетом сказанного систему уравнений (8.2) можно привести к следующему виду
. (8.4)
Введем понятие результирующего потока взаимоиндукции /или рабочего потока/ трансформатора. Это результирующий поток, пронизывающий как первичную, так и вторичную обмотки трансформатора. Мгновенное значение этого потока равно
Ф м = Ф м1 — Ф м2 = ( i 1 w 1 l м )- ( i 2 w 2 l м )= i 1 M/w 2 — i 2 M/w 1 ,
Следовательно, ЭДС e 1 и e 2 , наводимые рабочим потоком транс-форматора в витках первичной и вторичной обмоток можно представить в виде
,
,
или в комплексной форме
,
.
Тогда систему уравнений электрического состояния трансформатора (8.4) можно переписать в виде
, (8.5)
Поскольку рабочий поток трансформатора синусоидален
,
то мгновенные значения ЭДС могут быть определены как
,
.
Таким образом, ЭДС e 1 и e 2 имеют одинаковую начальную фазу и отстают от рабочего потока на 90 эл. градусов. Действующие значения ЭДС соответственно равны
,
,
где 
— частота питающей сети Ф m — амплитуда рабочего потока трансформатора.
Отношение ЭДС, наводимых рабочим потоком в витках первичной и вторичной обмоток трансформатора, называется коэффициентом трансфор-мации
.
Схема замещения трансформатора и приведение его параметров
При расчете цепей с трансформатором широко используются схемы замещения, при переходе к которым действительные трансформаторные связи /электромагнитные/ заменяются электрическими связями. Эти схемы удобны для аналитического исследования установившегося и переходных режимов в трансформаторе. Схемы составляются таким образом, чтобы их токи и напряжения описывались теми же уравнениями, что и в реальном трансформаторе.
Для обоснования схемы рассмотрим трансформатор с числом витков первичной обмотки 
равным числу витков вторичной обмотки 
, то есть 
. Для такого трансформатора система (8.4) может быть записана в виде
Нетрудно видеть, что в этом случае 
. Такая система представляет собой систему уравнений Кирхгофа для электрической цепи, приведенной на рис.8.3, которую можно считать схемой замещения трансформатора для случая, если w 1 =w 2 .
Если число витков первичной и вторичной обмоток различно, то осуществляют приведение параметров трансформатора.
Приведением параметров трансформатора называется операция условной замены действительной вторичной обмотки с числом витков фиктивной вторичной обмоткой с числом витков
таким образом, чтобы физические процессы в приведенном трансформаторе оставались такими же, как и в реальном.
В силу того, что w 2 ‘=w 1 , то 
, где 
— ЭДС вторичной обмотки реального трансформатора.
Намагничивающие силы вторичной обмотки реального и приведенного трансформатора должны быть одинаковы, то есть i 2 w 2 = i ‘ 2 w’ 2 .
Следовательно, i ‘ 2 = i 2 w 2 /w’ 2 == i 2 /k, где i ‘ 2 — приведенный ток вторичной обмотки трансформатора.
Полные электромагнитные мощности в нагрузке реального и приве-денного трансформатора должны быть одинаковы, то есть U 2 I 2 = U 2 ‘I 2 ‘ Следовательно, U 2 ‘= U 2 I 2 /I 2 ‘= U 2 k, где U 2 ‘ — приведенное напряжение на нагрузке.
На основе равенства электрических потерь мощности во вторичных обмотках реального и приведенного трансформатора I 2 2 R 2 = I 2 ‘ 2 R 2 ‘, находим
R 2 ‘=(I 2 2 /I 2 ‘ 2 )R 2 =k 2 R 2 , где R 2 ‘ — приведенное активное сопротивление вторичной обмотки.
На основе равенства реактивных мощностей в инуктивностях рассеяния реального и приведенного трансформатора I 2 2 X 2 s = I 2 ‘ 2 X 2 s ‘ нахо-дим X 2 s ‘ =(I 2 2 /I 2 ‘ 2 ) X 2 s = k 2 X 2 s или w L 2 s ‘ =(I 2 2 /I 2 ‘ 2 ) w L 2 s = k 2 w L 2 s , где L 2 s ‘ — приведенная индуктивность рассеяния вторичной обмотки трансформатора.
Приведение параметров нагрузки осуществляется аналогично, т.е.
R н ‘ = R н k 2 , L н ‘ = L н k 2 , C н ‘ = C н /k2.
На схеме (рис.8.3) в скобках приведены условные обозначения элементов приведенного трансформатора.
Под идеальным или идеализированным трансформатором понимают трансформатор, у которого отсутствуют потери энергии на нагрев обмоток и потоки рассеяния обмоток. Поскольку для такого трансформатора R 1 =R 2 =0 и L s 1 = L s 2 =0, то схема замещения его имеет вид, представленный на рис. 8.4. Входное сопротивление трансформатора определяется по формуле
.
При w M>> Zн Z вх =Z’ н =к 2 Z н .
Следовательно, идеальный трансформатор, включенный между нагрузкой и источником электроэнергии изменяет сопротивление нагрузки пропорционально квадрату коэффициента трансформации без изменения угла. Это свойство практически используется в различных областях техники /электротехники, проводной связи, радио и т.п./ для согласования сопротивлений нагрузки и источника.
Всем привет!
Сегодня мы рассмотрим один интересный,но достаточно просто способ передачи электрической энергии,а именно мы будем делать-маломощный, воздушный трансформатор!
Нам понадобится:
1. Световой диод
2. Медная проволока (
0.2мм )
3. Транзистор ( 2N3904 или KT315 )
4. Источник питания (Батарейка или Блок питания)
Это всё что нам понадобится!
Давайте начинать! Проволоку необходимо намотать на окружность, радиусом примерно 4 см, необходимо намотать 90 витков, эта катушка для светодиода, просто подсоединяем первый провод катушки к плюсу, а второй провод к минусу, полярность здесь не важна!
Теперь наматываем основную катушку, с тем же диаметром! Вначале наматываем 60 витков, а потом 30 витков, как показанно на схеме!
Дальше паяем всё по схеме, и вот что получилось.
ВНИМАНИЕ.
Для того чтобы схема заработала,необходимо докаснуться металическим предметом,до среднего контакта,это если у вас транзистор как у меня,если вы используете КТ315,то докаснитесь базы транзистора (воспользуйтесь документацией).
Вот такая интересная штуковина получилась, если по эксперементировать с количеством витков и их радиусом, то скорей всего можно добиться большей дальности, т.к этот вариант передаёт энергию примерно на 10 см.
Я надеюсь вам понравилось, Спасибо за внимание!
Воздушный трансформатор представляет собой прибор для преобразования параметров электрического тока при отсутствии непосредственного контакта между составными частями. Другими словами, передача энергии производится беспроводным способом, через воздух.
Принцип действия
Поскольку воздушная среда при обычных условиях (нормальная влажность, отсутствие разнозаряженных ионов) – плохой проводник тока, то использование воздушных трансформаторов в качестве источников повышенного тока или напряжения малоэффективно. Иное дело – преобразование частоты переменного тока, где не требуются значительные энергетические затраты. Поэтому рассматриваемые устройства предназначаются для передачи токов разной частоты во время трансляции радиосигналов.
По схеме действия воздушный трансформатор – это устройство с условным воздушным «сердечником» – зазором, который разделяет первичную и вторичную обмотки. Для стабильности такого зазора проволочные обмотки наматываются на прямоугольную основу из конденсаторного картона или другого изолятора, ввиду чего основной токопроводящей средой является воздух.
Классификация разновидностей
Все виды воздушных трансформаторов сводятся к двум группам:
- Импедансные, используемые для согласования значений падения напряжения у источника и потребителя нагрузки с целью обеспечения наиболее эффективной передачи энергии;
- Изолирующие, которые применяются по соображениям безопасности для изоляции части оборудования от источника энергии.
В воздушных трансформаторах все токи считаются возбуждающими. Они индуцируют вторичное напряжение, значение которого сравнимо с общей индуктивностью электрической системы. Поэтому материал основы сердечника отличается наивысшими показателями магнитной проницаемости. К таким материалам относят также стекло, фарфор, слюда, некоторые виды пластмассы.
Однако только электроизоляционный картон ГОСТ 2824-86 отличается благоприятным сочетанием показателей прочности (электрической и механической), плотности и стойкости к перепадам влажности окружающей среды.
Устройство
В трансформаторах сердечник используется с целью ограничения магнитного потока и усиления связи между первичной и вторичной обмотками. Во всех конструкциях воздушных трансформаторов применение диамагнитных материалов обеспечивает отсутствие гистерезисных и вихревых потерь и искажений электромагнитного поля, поскольку это приводит к ухудшению качества радиосигнала.
В дополнение к бесшумной работе беспроводные трансформаторы отличаются ещё и малым весом. Именно поэтому этот тип трансформатора подходит для портативных, легких электронных и высокочастотных устройств.
По исполнению сердечника воздушные трансформаторы подразделяют на цилиндрические и тороидальные. Правильный выбор материала сердечника обеспечивает изделиям:
- Усиление магнитного поля.
- Высокий КПД устройства.
- Отсутствие потерь мощности при трансформации.
- Стабильность соотношения первичного напряжения ко вторичному.
Как изготовить и собрать воздушный трансформатор
Предварительно определяются с материалом сердечника. Используя электротехнический картон, необходимо, чтобы его рабочие характеристики соответствовали следующим нормам ГОСТ 2824-86:
- Толщине, мм, не менее – 2,0…2,5.
- Плотности, г/см 3 , не менее – 1,0…1,15.
- Пределу прочности на растяжение, МПа, не менее – 105…110.
- Пределу прочности на изгиб, МПа, не менее – 35…40.
- Электрической прочности, кВ/мм, не менее – 11…12.
- Относительной влажности, % – 8±2.
В случае использования других материалов их физико-механические характеристики должны быть не ниже перечисленных выше.
Катушки изолированной медной проволоки наматываются на пластиковую трубку или полый тор. Для принятой конфигурации сердечника его момент сопротивления принимают наибольшим при заданном внешнем размере поперечного сечения: это обеспечивает обмотке необходимую механическую поддержку. Медная обмотка вокруг тора или цилиндра может, при необходимости, выноситься на разные точки, откуда и снимается вторичное напряжение.
Иногда, с целью поддержания в схеме настройки постоянного резонанса, к обмотке дополнительно подключается конденсатор. Магнитный поток протекает через воздух, окружающий обмотку, и воздух, имеющийся внутри полого сердечника.
Для правильного согласования значений падения напряжения поверх основной медной обмотки наматывается еще и защитная обмотка. Ее соединяют с антенными приемниками и должным образом заземляют.
Тороидальные сердечники имеют преимущество перед цилиндрическими, поскольку влияние блуждающей связи здесь минимально. Воздушные трансформаторы такого исполнения используются в особо высокочастотных приложениях.
