Трансформатор

Практически электроэнергией пользуются через посредство различных трансформаторов, повышающих или понижающих напряжение в зависимости от того, какого напряжения и какой силы нужна электроэнергия. Трансформируется же она вначале для того, чтобы с меньшими потерями — утечками — полученную на электростанции электроэнергию можно было передать на большие расстояния. Известно, что при высоком напряжении электроэнергии, передаваемой по проводам, име­ющим большое сопротивление, теряется меньше. Поэтому от электростанции на подстанцию электроэнергия подается обыч­но напряжением в 480 вольт, а в городе трансформаторы преобразуют ее в 120 вольт и уже посылают для нужд на­селения.
Нам же для наших опытов напряжение в 120 вольт велико. Для моделей, которые мы будем с вами строить, потребуется напряжение в 4, 8 и 12 вольт. Работать с таким напряжением, во-первых, не опасно, а во-вторых, и сами модели могут быть сделаны значительно проще, обойдутся они намного дешевле и не будут так громоздки по своим размерам. Поэтому и целесообразно сделать такой интересный и полез­ный прибор, каким является трансформатор (см. рис. 27).
 
 

Трансформатор в готовом виде

Рис. 27. Трансформатор в готовом виде.
Трансформатор — не новый прибор. Он появился еще в 1831 году, когда английский физик Фарадей впервые скон­струировал прибор для индукционного преобразования элек-тротоков. Но первый трансформатор электрического тока, без которого не могла бы существовать вся современная электротехника, изобрел и сконструировал замечательный русский изобретатель Усагин Иван Филиппович (1855—1919), будучи ассистентом выдающегося русского физика А. Г. Сто­летова в Московском университете. Внешне первый трансфор­матор мало напоминал собой современные трансформаторы, но в принципе теперешние трансформаторы ничем не отли­чаются от первого трансформатора Усагина.
Трансформатор представляет собой железный сердечник, обмотанный тонкой изолированной проволокой или в виде двух отдельных катушек, намотанных одна на другую или расположенных одна против другой и находящихся на общем сердечнике. В зависимости от того, на сколько витков во вторичной обмотке трансформатора меньше, чем в первичной, к которой присоединяется напряжение электросети, во столько приблизительно раз и будет понижено напряжение. Если, например, мы присоединим 120 вольт к первичной обмотке трансформатора, у которого вторичная обмотка в четыре раза меньше первичной, то со вторичной обмотки мы сможем снять напряжение в 30 вольт. В таком случае коэффициент трансформации будет = 4 : 1 (коэффициентом трансформации называется отношение между числом витков первичной и вторичной обмоток трансформатора). Но этот подсчет при­близителен, он сделан без учета различных потерь тока на сопротивление проводника, на нагрев трансформатора и т. д. Для более точного подсчета трансформации электроэнергии существуют специальные формулы.
Что же происходит с током при его прохождении через трансформатор? Происходит обыкновенная индукция, законы которой открыл Фарадей. При включении переменный ток возбуждает в первичной катушке трансформатора переменный магнитный поток, а он, в свою очередь, создает пере­менный ток той же частоты во вторичной катушке. (Ча­стотой называется количество периодов в секунду, то-есть количество изменения направления тока. Наш городской ток имеет 50 периодов в секунду.) И если во вторичной катушке меньше витков проволоки, значит и электрического тока в ней будет возбуждено меньше — и наоборот.
Происходит этот процесс вследствие того, что в каждый период обмотка вторичной катушки пересекается различным числом линий переменного магнитного поля, создаваемого первичной обмоткой трансформатора. Поэтому запомните, что трансформатор может повышать или понижать напряже­ние только переменного тока, так как только переменный ток может создавать вокруг первичной обмотки трансформа­тора переменное магнитное поле.
Какой же нам делать трансформатор?
В начале статьи мы уже говорили, что для наших при­боров потребуется напряжение в 4, 8 и 12 вольт. Каким же образом рассчитать трансформатор на такое напряжение?
Если наша городская электросеть имеет напряжение в 120 вольт, то для того чтобы наш трансформатор мог работать длительное время без сильного нагревания, надо сделать его с некоторым запасом сопротивления обмоток и площади сердечника. Возьмем для нашего трансформатора поперечную площадь сечения сердечника в 6 кв. см. Этого будет вполне достаточно. Теперь приступим к самому расчету трансфор­матора.
Как уже указывалось выше, для расчета трансформаторов существуют сложные формулы, по которым можно точно определить все величины трансформатора. Но мы с вами возьмем упрощенную формулу.
Постоянная величина 60 (эта величина берется для сред­него трансформаторного железа*(Число 60 получается от умножения числа, выражающего сечение сердечника в квадратных сантиметрах, на количество витков, приходя­щихся на один вольт напряжения. Следовательно, число 60, деленное на сечение сердечника, показывает, сколько витков должно быть в каждой их обмотке на один вольт напряжения.) делится на площадь попе­речного сечения сердечника, то-есть на 6 в данном случае. Получается 10. Это значит, что на каждый вольт напряжения мы должны будем намотать 10 витков. Теперь полученное число надо умножить на количество вольт, то-есть на 120. Мы получим 1200 — это количество витков для первичной обмотки трансформатора.
Количество витков вторичной обмотки высчитывается точно так же: 10 умножить на 4 вольта—получим 40 витков.
Для восьмивольтовой обмотки надо в два раза больше, то-есть 80 витков и для 12-вольтовой — 120 витков. Мотать три отдельные обмотки вовсе не обязательно. Лучше сделать одну обмотку на 12 вольт с отводами от 40-го и 80-го витков.
 

Щечки каркаса для, катушки

 
Рис. 28. Щечки каркаса для, катушки       Рис. 30. Готовый каркас для катушки трансформатора.
 
Разметка ствола каркаса.
Рис. 29. Разметка ствола каркаса.
 
Теперь встает вопрос: а какой провод взять для трансформатора? Так как нам не потребуется сни­мать большого тока, то для пер­вичной обмотки трансформатора вполне можно применить изолиро­ванный провод в двойной бумаж­ной или шелковой изоляции, сече­нием 0,2—0,3 мм. Для вторичных обмоток лучше взять провод толще: 0,8 мм или же в 1 мм.
Когда все расчеты будут закончены, можно приступить к изготовлению трансформатора.
Прежде всего нам надо заготовить жести на сердечник. Для этого лучшим материалом будут консервные банки. Из них нарезаются полоски шириной в 2 см и длиной 27 см, как раз по длине разрезанной консервной банки. Таких полосок потребуется около 80 штук. Когда полоски наре­заны, их отжигают в печи и дают медленно остыть в золе. После этого окалина с железа счищается и полоски покры­ваются лаком (или лучше шеллаком) или оклеиваются с одной стороны тонкой папиросной бумагой. Пока лак будет сох­нуть, мы изготовим каркас для катушки. Он делается из толсто­го картона. Сначала вырезаются щечки каркаса, как указано на рис. 28. Затем делается ствол. Он склеивается из картона в два ряда по отверстию щечек (рис. 29). Второй слой де­лается несколько короче, с таким расчетом, чтобы надетые на ствол щечки тесно садились на него и не продвигались дальше. Щечки прочно приклеиваются столярным клеем, и каркасу дают хорошо высохнуть. Готовый каркас показан на рис. 30.
Прежде чем начинать намотку сетевой обмотки, на каркас надо намотать слоя три-четыре пропарафиненной бумаги или чертежной кальки и затем уже приступить к намотке про­волоки. Намотку производите как можно аккуратнее, укла­дывая виток к витку. После двух-трех рядов намотки обя­зательно прокладывайте слоя два пропарафиненной бумаги или кальки по всей ширине катушки. Когда будет закончена первичная обмотка, концы ее прочно закрепляются в щечке каркаса и поверх обмотки наматывается слоев пять пропара­финенной бумаги. Затем наматываются вторичные обмотки, между рядов которых также прокладывается бумага.
Наматывать вторичные обмотки надо в том же направле­нии, что и первичную. Не забудьте сделать отводы от 40-го и 80-го витков в виде петель длиной сантиметров в 10. Все отводы вторичных обмоток надо делать на второй щечке каркаса. Готовую катушку следует обмотать пропарафиненной бумагой в несколько слоев и затем оклеить клеенкой или картоном.
 

Готовый трансформатор.

Рис. 31. Готовый трансформатор.
 
В готовую катушку вставляются железные полоски на половину их длины. Внутреннее отверстие катушки должно быть как можно туже набито пластинами сердечника. При этом пластины, особенно последние, надо вставлять с боль­шой осторожностью, чтобы не прорезать каркас, не повре­дить изоляцию на проводе и тем самым не замкнуть первич­ную обмотку. После того как сердечник вставлен, он оги­бается вокруг каркаса в одну сторону и соединяется внизу в переплет. Соединяя сердечник, оставьте между ним и каркасом воздушный зазор сантиметра в два. На шов, где переплетаются пластины сердечника, наложите прочный металлический хомутик. Сердечник надо сжимать как мож­но крепче, иначе он будет гудеть.
 
Рис. 32. Пластинка для Ш-об-разного сердечника трансфор­матора.

Пластинка для Ш-об-разного сердечника трансформатора

 

 
Рис. 33. Щечка каркаса для катушек трансформатора.
 

Щечка каркаса для катушек трансформатора

 
Рис. 34. Готовый трансформатор с Ш-образным сердечником.
 

Готовый трансформатор с Ш-образным сердечником

Концы обмоток лучше всего прикрепить к контактам, вверну-тым в щечки катушки. Так будет надежнее — они не перетрутся и не оборвутся.
Чтобы закончить с трансфор­матором, надо сделать для него основание из доски размером ЮХ \’2 см, толщиной сантиметра в 2—3, и прочно прикрепить к нему трансформатор при помощи металлических скобок, огибающих нижнюю часть сердечника.
Готовый трансформатор показан на рис. 31.
Можно сделать трансформатор и по-другому. Он будет еще компактнее. Для этого лучше применить Ш-образный сердечник и намотать на нем первичную и вторичные обмотки не на один каркас, а на два.
Для сердечника такого трансформатора надо нарезать 70 Ш-образных пластин (по рис. 32) и обработать их уже указанным способом, то-есть отжечь и покрасить или оклеить папиросной бумагой. Каркасы для катушек делаются по рис. 33. Каждый из них будет иметь длину в 3,5 см.
Намотка производится уже известным нам способом и также в одном направлении.
Сборка трансформатора производится так: катушки кла­дутся на стол близко друг к другу. При этом не забудьте проверить, в одном ли направлении идут их обмотки. Затем центральная полоска пластинки сердечника отгибается и вставляется в середину катушек. Вторую пластинку надо вставлять уже с другого конца. Так чередуя пластинки, мы делаем сплетение пластин сердечника, как и в первом случае, когда мы замыкали кольцо сердечника. Таким образом мы замкнем накоротко и этот сердечник, что нам и требуется.
Готовый трансформатор такого типа показан на рис. 34.
Для предохранения трансформатора от порчи хорошо для него сделать коробку из жести или из фанеры. Вверните в крышку коробки клеммы и присоедините к ним отводы от вторичных обмоток. Если коробка железная, то клеммы надо смонтировать на фанерной или фибровой планке и, вырубив соответствующее окно в крышке коробки так, чтобы клеммы не касались железа, прикрепить планку на место. Для приключения трансформатора к сети первичную обмотку соединяют с осветительным шнуром и последний также выводится через крышку коробки. В отверстие для шнура вставьте эбонитовую или фарфоровую трубочку.
Чтобы трансформатор не сильно гудел, его надо устано­вить на резиновые ножки, для которых вполне подойдут школьные ластики.

Системы сердечников трансформатора: Ш-образного и П-образного

 
Рис. 35. Системы сердечников трансформатора: Ш-образного и П-образного.
Можно, наконец, сделать сердечник для трансформатора и так, как указано на рис. 35. Делать их легче, чем в предыдущей модели. Собираются планки для такого сердечника
также в переплет.  
Обмотка для такого трансформатора наматывается точно так же, как и для предыдущего и с тем же количеством витков.
Когда будет собран трансформатор, сердечник его прочно скрепляется планками из толстого железа и болтами, как указано на общем рисунке. Планки делаются из толстого кровельного железа размером 2X12 см. Но можно сердеч­ник скрепить и деревянными планками при помощи шурупов. В таком случае планки лучше делать квадратного сечения из сухой березы.