Если на трансформатор подать постоянное напряжение
Если случайно подключить транс- форматор к источнику постоянного тока. Физика, 11 класс, параграф 37-41, 4 задача. Мякишев и Буховцев
При подключении трансформатора к источнику постоянного тока (напряжения) по нему пройдет ток I = U/R, где R - активное сопротивление катушки. В единицу времени выделится количество тепла Q = I 2 R = U 2 /R (Закон Джоуля-Ленца). При подключении того же трансформатора к источнику переменного напряжения: I' = U'/oL, где oL - индуктивное сопротивление катушки. пусть U = U’, тогда
Это означает, что обмотки трансформатора, случайно подключенного к постоянному току, могут сгореть.
что будет,если на первичную обмотку трансформатора подать постоянное напряжение,равное номинальному?Почему?
у трансформатора есть два вида сопротивления-реактивное сопротивление обмотки и индуктивное. индуктивное работает тогда когда на обмотку подается переменный ток. а если подать постоянный то будет работать реактивное сопротивление, которое намного меньше чем индуктивное. так что товарищ прав-сгорит обмотка.
Остальные ответы
Не будет происходить передача мощности, вся мощность останется в первичке и она сгорит.
(Но тупые преподы любят цитаты из учебников, так что вряд ли мой ответ прокатит.)
Что будет, если подать в электросеть постоянный ток
Война токов завершилась, и Тесла с Вестингаузом, похоже, победили. Сети постоянного тока сейчас используются кое-где на железной дороге, а также в виде свервысоковольтных линий передачи.
Подавляющее большинство энергосетей работают на переменном токе. Но давайте представим, что вместо переменного напряжения с действующим значением 220 вольт в ваш дом внезапно стали поступать те же 220 В, но постоянного тока.
Театр начинается с вешалки, а наш электрический цирк — с вводного щитка.
Автоматы
Дополнения от Bronx и AndrewN:
Магнитный расцепитель срабатывает по амплитудному значению тока, то есть в 1,4 раза больше действующего. На постоянном токе его ток срабатывания будет в 1,4 раза выше.
Дугу постоянного тока сложнее погасить, так что при коротком замыкании увеличится время разрыва цепи и ускорится износ автомата. Существуют специальные автоматы, рассчитанные на работу с постоянным током.
Помимо автоматов, в щитке есть устройство защитного отключения (УЗО). Его цель — обнаруживать утечку тока из сети на землю, например при касании человеком токоведущих частей. УЗО измеряет силу тока в двух проводниках, проходящих через него. Если в нагрузку втекает такой же ток, что и вытекает — всё в порядке, утечки нет. Если же токи не равны, УЗО бьёт тревогу и разрывает цепь.
Чувствительный элемент УЗО — дифференциальный трансформатор. У такого трансформатора две первичные обмотки, включенные в противоположных направлениях. Если токи равны, их магнитные поля компенсируют друг друга и на выходе сигнала нет. Если токи не скомпенсированы, на выходе сигнальной обмотки появляется напряжение, на которое реагирует схема УЗО. На постоянном токе трансформатор работать не будет, и УЗО окажется бесполезным.
Счетчик
Неважно, какой у вас электросчетчик — старый механический или новый электронный — работать он не будет. Механический счетчик представляет собой электродвигатель, где ротором служит металлический диск, а статор содержит две обмотки. Одна обмотка включена последовательно с нагрузкой и измеряет ток, вторая включена параллельно и измеряет напряжение. Таким образом, чем больше потребляемая мощность, тем быстрее крутится диск. Работа такого счетчика основана на явлении электромагнитной индукции, и при постоянном токе в обмотках диск останется неподвижен.
Электронный счетчик устроен по-другому. Он напрямую измеряет напряжение (через резистивный делитель) и ток (при помощи шунта или датчика Холла), оцифровывает их, а затем микропроцессор пересчитывает полученные данные в киловатт-часы. В принципе, ничто не мешает такой схеме работать с постоянным током, но во всех бытовых счетчиках постоянная составляющая программно отфильтровывается и на показания не влияет. Счетчики постоянного тока существуют в природе, их ставят, например, на электровозы, но в квартирном щитке вы такой не найдёте.
Ну и ладно, не хватало ещё платить за всё это безобразие! Идём дальше по цепи и смотрим, какие электроприборы могут нам встретиться.
Нагревательные приборы
Тут всё прекрасно. Электронагреватель — это чисто резистивная нагрузка, а тепловое действие тока не зависит от его формы и направления. Электроплиты, чайники, кипятильники, утюги и паяльники будут работать на постоянном токе точно так же, как и на переменном. Биметаллические терморегуляторы (как, например, в утюге) тоже будут функционировать правильно.
Лампы накаливания
Старая добрая лампочка Ильича на постоянном токе чувствует себя не хуже, чем на переменном. Даже лучше: не будет пульсаций света, лампа не будет гудеть. На переменном токе лампочка может гудеть из-за того, что спираль (особенно, если она провисла) работает как электромагнит, сжимаясь и растягиваясь дважды за период. При питании постоянным током этого неприятного явления не будет.
Однако если у вас установлены регуляторы яркости (диммеры), то они работать перестанут. Ключевым элементом диммера является тиристор — полупроводниковый прибор, который открывается и начинает пропускать ток в момент подачи управляющего импульса. Закрывается тиристор, когда ток через него прекращает течь. При питании тиристора переменным током он будет закрываться при каждом переходе тока через ноль. Подавая управляющий импульс в разное время относительно этого перехода, можно менять время, в течение которого тиристор будет открыт, а значит, и мощность в нагрузке. Именно так и работает диммер.
При питании постоянным током тиристор не сможет закрыться, и лампа всегда будет гореть на 100% мощности. А возможно, управляющая схема не сможет «поймать» переход сетевого напряжения через ноль и не подаст импульс для открытия тиристора. Тогда лампа не загорится совсем. В любом случае, диммер будет бесполезен.
Люминесцентные лампы
Люминесцентную лампу нельзя включать напрямую в сеть, для нормальной работы ей нужен пуско-регулирующий аппарат (ПРА). В простейшем случае он состоит из трёх деталей: стартёра, дросселя и конденсатора. Последний нужен не самой лампе, а остальным потребителям в сети, так как он улучшает коэффициент мощности и фильтрует помехи, создаваемые лампой. Стартёр — это неоновая лампочка, один из электродов которой при нагреве изгибается и касается второго электрода. Дроссель — большая катушка индуктивности, включенная последовательно с лампой:
Штатно всё это работает так: при включении зажигается разряд в стартёре, его контакты нагреваются и замыкаются между собой. Ток течёт через нити накала лампы, отчего те разогреваются и начинают испускать электроны. В это время стартёр остывает и размыкает цепь. Ток резко падает, и за счет самоиндукции на дросселе появляется импульс высокого напряжения. Этот импульс зажигает разряд в лампе, и дальше он горит самостоятельно. Дроссель теперь ограничивает ток разряда, работая как добавочное сопротивление.
Что же будет на постоянном токе? Стартёр сработает, лампа зажжётся как положено, но вот дальше всё пойдёт наперекосяк. В цепи постоянного тока у дросселя не будет индуктивного сопротивления (только активное сопротивление проводов, а оно мало), а значит, он больше не сможет ограничивать ток. Чем выше ток разряда, тем сильнее ионизируется газ в лампе, сопротивление падает, и ток растёт ещё сильнее. Процесс будет развиваться лавинообразно и закончится взрывом лампы.
Лампы с электронным ПРА
Электромагнитные ПРА просты, но не лишены недостатков. У них низкий КПД, дроссель громоздкий и тяжелый, гудит и нагревается, лампа загорается с диким миганием, а потом мерцает с частотой 100 Гц. Всех этих недостатков лишен электронный пускорегулирующий аппарат (ЭПРА). Как он работает? Если посмотреть схемы различных ЭПРА, можно заметить общий принцип. Напряжение сети выпрямляется (преобразуется в постоянное), затем генератор на транзисторах или микросхеме вырабатывает переменное напряжение высокой частоты (десятки кГц), которое питает лампу. В дорогих ЭПРА есть схемы разогрева нитей и плавного запуска, которые продлевают срок службы лампы.
Схожую схемотехнику имеют как блоки для линейных ламп, так и компактные «энергосберегайки», которые вкручиваются в обычный патрон. Поскольку на входе ЭПРА стоит выпрямитель, можно питать всю схему постоянным напряжением.
Светодиодные лампы
Светодиод требует для работы небольшое постоянное напряжение (около 3.5 В, обычно соединяют несколько диодов последовательно) и ограничитель тока. Схемы светодиодных ламп весьма разнообразны, от простых до довольно сложных.
Самое простое — последовательно со светодиодами поставить гасящий резистор. На нём упадёт лишнее напряжение, он же будет ограничивать ток. Такая схема имеет чудовищно низкий КПД, поэтому на практике вместо резистора ставят гасящий конденсатор. Он также обладает сопротивлением (для переменного тока), но на нём не рассеивается тепловая мощность. По такой схеме собраны самые дешёвые лампы. Светодиоды в них мерцают с частотой 100 Гц. На постоянном токе такая лампа работать не будет, так как для постоянного тока конденсатор имеет бесконечное сопротивление.
Более дорогие лампы устроены сложнее, очень похоже на ЭПРА для люминесцентных ламп. Источник питания в них содержит высокочастотный импульсный стабилизатор, который питается выпрямленным сетевым напряжением. Как и в случае с ЭПРА, схема будет нормально работать, если подать на неё постоянное напряжение.
Универсальные коллекторные двигатели
Универсальный коллекторный двигатель (УКД) состоит из неподвижного статора и ротора, который вращается внутри. Статор имеет одну обмотку, а ротор сразу несколько. Роторные обмотки подключаются через коллектор — цилиндр с контактами, по которому скользят угольные щётки. Взаимодействие магнитных полей статора и ротора заставляет ротор поворачиваться. Коллектор устроен так, что всё время включает ту из обмоток, которая находится перпендикулярно обмотке статора — для неё вращающий момент будет максимальным.
Такой двигатель может работать при питании как переменным, так и постоянным током. Собственно, поэтому он и называется «универсальным». При смене полярности одновременно меняется направление магнитного поля и в статоре, и в роторе, в результате двигатель продолжает вращаться в ту же сторону. На постоянном токе УКД развивает даже больший момент, чем на переменном, за счет отсутствия индуктивного сопротивления обмоток. Универсальные коллекторные двигатели применяются там, где нужно получить большую мощность при малых габаритах. В бытовой технике УКД стоят в стиральных машинах, пылесосах, фенах, блендерах, миксерах, мясорубках, а также в электроинструментах. Все эти приборы продолжат работать, если напряжение в розетке внезапно «выпрямится».
Синхронные двигатели
У синхронного двигателя в статоре несколько обмоток, которые создают вращающееся магнитное поле. Ротор содержит постоянный магнит либо обмотку, питаемую постоянным током. Магнитное поле статора сцепляется с полем ротора и вращает его за собой. Особенностью такого двигателя является то, что частота его вращения зависит только от частоты питающего тока. На постоянном токе, очевидно, такой двигатель будет вращаться с нулевой частотой, то есть остановится.
В быту применяются маломощные синхронные двигатели там, где нужно поддерживать строго постоянную частоту вращения. В основном, это электромеханические часы и таймеры. Также синхронными являются двигатель вращения тарелки в СВЧ-печи и двигатель сливного насоса в стиральной машине.
Асинхронные двигатели
Асинхронный двигатель похож своим устройством на синхронный. В нем также статор имеет несколько обмоток и создаёт вращающееся поле. Но обмотка ротора никуда не подключена и замкнута накоротко. Ток в ней создаётся за счет явления электромагнитной индукции в переменном поле статора. Этот ток создаёт своё магнитное поле, которое взаимодействует с вращающимся полем статора и заставляет ротор вращаться.
Асинхронные двигатели отличаются низким уровнем шума и большим ресурсом из-за отсутствия трущихся щёток. Их можно встретить в холодильниках, кондиционерах и вентиляторах. При питании постоянным током магнитное поле статора вращаться не будет. Также не возникнет ток в короткозамкнутом роторе. Двигатель останется неподвижен, а обмотка будет просто нагреваться, как обычный кусок провода.
Вентильные двигатели
Строго говоря, это не отдельный тип двигателя, а способ управления им. Сам двигатель может быть синхронным или асинхронным. Главная особенность в том, что напряжения на обмотках формируются управляющей схемой по сигналу с датчика положения ротора. Это позволяет регулировать скорость и крутящий момент в широких диапазонах, ограничивать пусковые токи и даёт кучу возможностей, вроде стабилизации частоты вращения. Вот пара хороших статей, объясняющих всю эту магию:
Вентильные двигатели всё шире используются в бытовой технике: в стиральных машинах, холодильниках, кондиционерах, пылесосах. Обычно такую технику можно узнать по прилагательному «инверторный» в рекламе. Вентильный двигатель безразличен к форме питающего напряжения. Напряжение сети первым делом выпрямляется, а затем управляющий блок «лепит» из него несколько разных синусоид (обычно три) для питания обмоток мотора. Естественно, такая система будет спокойно работать на постоянном токе.
Трансформаторные (линейные) блоки питания
Трансформатор состоит из нескольких обмоток, связанных общим магнитопроводом. Переменный ток в одной обмотке (первичной) порождает индукционные токи во всех остальных обмотках (вторичных). Ключевая особенность трансформатора, ради которой его обычно и используют, в том, что напряжения на обмотках соотносятся так же, как количество витков в этих обмотках. Если в первичной обмотке намотать 1000 витков, а во вторичной — 100, такой трансформатор будет понижать напряжение в 10 раз. Если включить его наоборот — в 10 раз повышать. Очень просто и удобно.
В линейном блоке питания напряжение сети понижается (или повышается, если надо) до необходимого уровня при помощи трансформатора. Далее стоит выпрямитель, который преобразует переменное напряжение в постоянное, и фильтр, сглаживающий пульсации. Затем может идти стабилизатор, который поддерживает неизменным выходное напряжение.
Линейные блоки питания постепенно вытесняются импульсными, но первые работают ещё много где. В микроволновке, если она не «инверторная», есть мощный трансформатор, который повшает сетевые 220 В до нескольких киловольт, необходимых для работы магнетрона. От трансформаторов питается управляющая электроника в стиральных машинах, кухонных плитах и кондиционерах. Трансформаторные блоки питания используются в аудиоаппаратуре и дешёвых зарядных устройствах.
Что случится с трансформатором, если его включить в сеть постоянного тока? Во-первых, на вторичных обмотках напряжение не появится, так как электромагнитная индукция возникает лишь при изменении тока. Во-вторых, обмотка не будет обладать индуктивным сопротивлением, а значит, через неё потечёт гораздо больший ток, чем рассчитано. Трансформатор будет перегреваться и довольно быстро сгорит.
Импульсные блоки питания
Чем выше частота переменного тока, тем эффективнее работает трансформатор (в разумных пределах, конечно). Если использовать частоту в несколько десятков килогерц вместо сетевых 50 Гц, можно прилично уменьшить габариты трансформаторов при той же передаваемой мощности. Эта идея лежит в основе импульсных блоков питания. Работает такой блок следующим образом: напряжение сети выпрямляется, полученное постоянное напряжение питает транзисторный генератор, который даёт снова переменное напряжение, но уже высокой частоты. Его теперь можно понижать или повышать трансформатором, выпрямлять и подавать в нагрузку.
По такой схеме сейчас питается подавляющее большинство электроники: компьютеры, мониторы, телевизоры, зарядные устройства для ноутбуков, телефонов и прочих гаджетов. Поскольку входное напряжение первым делом выпрямляется, импульсный блок питания должен без проблем работать на постоянном токе. Но есть пара моментов, которые могут всё испортить.
Во-первых, напряжение после выпрямителя равно почти амплитудному значению переменного напряжения. То есть для
220 В на входе выпрямитель даст 311 B. Мы же по условию подаём постоянное напряжение 220 В, что на 30% ниже. Это скорее всего не вызовет проблем, потому что современные блоки питания могут работать в широком диапазоне напряжений, обычно от 100 до 250 В.
Во-вторых, выпрямитель состоит из четырёх диодов, которые работают парами: одна пара на положительной полуволне тока, другая — на отрицательной. Таким образом, каждый диод пропускает ток лишь половину времени. Если мы подадим на выпрямитель постоянное напряжение, одна пара диодов будет открыта всегда, и на них будет рессеиваться двойная мощность. Если диоды не имеют двойного запаса по току, они могут сгореть. Но это не слишком большая беда: можно просто выкинуть выпрямитель и подавать постоянное напряжение сразу после него.
Заключение
После того, как вы потушили несколько возгораний и сгребли в кучу испорченные приборы, настало время подвести итоги. Переход на постоянный ток переживёт либо старая и простая техника (лампы накаливания, нагреватели, коллекторные моторы с механическим управлением) либо, наоборот, самая современная (с импульсными блоками питания и инверторными моторами).
К счастью, описанный сценарий вряд ли осуществится на практике, если не рассматривать возможность специально организованной диверсии. Ни при какой возможной аварии в энергосети переменное напряжение не станет вдруг постоянным. Правда, при возможных авариях случаются иные нехорошие вещи, но это уже совсем другая история. Берегите себя и делайте бэкапы.
Трансформатор тока для детектирования включений нагрузки в сети 220В
Недавно у меня возникла необходимость определять на микроконтроллере моменты включения/выключения погружного насоса с поплавковым выключателем, запитанного от сети 220В, т.е. по сути определять наличие потребляемого тока в цепи питания насоса. Когда речь идет об измерениях в сети 220В, то в первую очередь стоит подумать о том, как обеспечить качественную гальваническую развязку, т.е. отсутствие электрического контакта между высоковольтными и низковольтными цепями.
Пожалуй самым простым и быстрым решением было бы взять готовый модуль на эффекте Холла (например на микросхеме ACS712). Однако мне такой вариант не подошёл по двум причинам. Во-первых, он требует питания 5В, а у меня всё было запитано от 3.3В. Во-вторых, он включается в разрыв измеряемой цепи, а мне было очень важно не нарушить работу насоса даже в случае ошибки проектирования или выхода из строя датчика.
Как ни странно, нагуглить готовое решение без специальных модулей для такой казалось бы простой задачи не удалось, поэтому здесь хочу поделиться опытом расчета и изготовления простейших измерительных трансформаторов тока.
Принцип работы трансформатора тока
Пожалуй каждый, кто когда-нибудь работал с аналоговой электроникой, сталкивался наводками от сети 220В. Казалось бы, если от этих наводок так сложно избавиться, то может быть и определить включение нагрузки должно быть очень легко? Однако всё оказалось не совсем так просто.
Действительно, простейший измерительный трансформатор тока можно сделать из мотка обычного двухжильного силового кабеля - по одной из жил запустить измеряемый ток, а с другой снимать полезный сигнал. Попробуем прикинуть (хотя бы по порядку величины), какое напряжение образуется на концах "сигнальной" жилы, если через "силовую" пропустить ток к целевой нагрузке? Может этого будет уже достаточно для решения поставленной задачи?
Моток кабеля в такой конфигурации по сути представляет собой трансформатор с воздушным сердечником. Ток, проходящий через витки силовой жилы, формирует переменное магнитное поле. Это поле создаёт электродвижущую силу ЭДС индукции в каждом витке сигнальной жилы. Величина ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока проходящего через окружённую витком поверхность:
Если предположить, что витки в мотке кабеля уложены достаточно плотно, а ток в измерительной жиле равен нулю, то магнитный поток через все витки будет одинаковым, и его можно будет посчитать как произведение индуктивности одного витка , числа витков и тока в силовой жиле . ЭДС во всех измерительных витках будет одинакова и суммарное напряжение на концах сигнальной жилы будет равно произведению числа витков на ЭДС в одном витке:
В бытовой сети переменного тока , где - частота, равная 50 Гц, а - амплитудное значение силы тока. Значение можно определить исходя из мощности нагрузки и действующего значения напряжения , равного 230 В. В итоге для производной тока по времени получаем такую формулу:
Например, для нагрузки мощностью 1 кВт, подключённой к обычной бытовой сети с напряжением 230 В, вычисленная по этой формуле амплитуда производной тока по времени получится чуть меньше 2000 ампер в секунду.
Индуктивность одного витка посчитаем исходя из радиуса нашего мотка и радиуса проволоки, из которой сделана жила кабеля :
Здесь - магнитная постоянная. Для мотка кабеля диаметром 10 см, имеющего жилы диаметром 2 мм, индуктивность витка получается около 0.25 мкГн. Если такой моток сделать из кабеля длиной 10 метров, то получится около 30 витков. В итоге для нашей нагрузки в 1 кВт напряжение на разомкнутой сигнальной жиле получится таким:
Значение получается вполне детектируемое, но что произойдёт в момент включения или выключения нагрузки, когда ток может изменяться в десятки или даже сотни раз быстрее, чем при нормальной работе? В этом случае вместо 450 мВ на концах сигнальной жилы может быть скачок напряжения в несколько десятков или даже сотню вольт, который вполне может повредить вход микроконтроллера.
Чтобы решить проблему с зависимостью ЭДС индукции от частоты сигнала, в трансформаторах тока используется совсем другой режим работы - вместо того, чтобы разомкнуть вторичную обмотку и измерять на ней напряжение, она замыкается накоротко и измеряется проходящий через неё ток.
Как только в сигнальной жиле появляется ток, он создаёт своё собственное магнитное поле, направленное противоположно исходному. В идеальном случае ток в сигнальной жиле мгновенно вырастет настолько, что полностью компенсирует магнитный поток силовой жилы. Для рассмотренного выше случая с одинаковым числом витков силы тока в двух жилах окажутся равны, а ЭДС индукции в сигнальной жиле будет стремиться к нулю. При разном числе витков отношение токов в силовой и сигнальной обмотках будет определяться отношением числа витков: , а суммарный магнитный поток и ЭДС индукции также будут стремиться к нулю.
Конструкция трансформатора тока
В реальном мире у сигнальной жилы есть ненулевое пассивное сопротивление и для создания в ней тока необходимо ненулевое значение ЭДС индукции, а значит магнитный поток силовой обмотки должен быть скомпенсирован не полностью. Чтобы ток в сигнальной обмотке был максимально близок к идеальному, нужно максимизировать отношение напряжения разомкнутой обмотки к реальному падению напряжения, необходимому для создания этого тока. Этого можно добиться разными способами:
снижением целевого падения напряжения на сигнальной обмотке
увеличением числа витков силовой обмотки
увеличением числа витков сигнальной обмотки
увеличением индуктивности каждого витка
Минимизировать напряжение на сигнальной обмотке можно за счёт более чувствительной схемы измерения тока. В самом простом случае ток преобразуется в напряжение на шунтирующем резисторе и падение напряжения определяется диапазоном детектируемых токов и характеристиками аналогового входа микроконтроллера.
Существенно увеличить число витков в силовой обмотке сложно, т.к. через неё подключается нагрузка, а значит у неё должно быть и сечение достаточно большое, и изоляция надёжная. А вот в сигнальной обмотке число витков можно увеличить весьма значительно, причём поскольку ток в сигнальной обмотке обратно пропорционален числу витков в ней, сечение провода также можно существенно уменьшить. Именно поэтому в токовых трансформаторах в сигнальной обмотке обычно значительно больше витков, чем в силовой.
Индуктивность каждого витка можно очень сильно увеличить с помощью ферромагнитного магнитопровода. Обычная электротехническая сталь увеличивает магнитную индукцию в несколько тысяч раз, а также концентрирует магнитное поле внутри магнитопровода, обеспечивая полноту прохождения магнитного потока через витки сигнальной обмотки. Например один виток на ферритовом кольце R36x23x15 PC40 имеет индуктивность около 3 мкГн, что в 12 раз больше, чем те 0.25 мкГн, которые у нас получились для витка в мотке кабеля намного больших размеров.
Наличие магнитопровода в конструкции трансформатора приводит и к некоторым ограничениям:
Напряжённость поля внутри сердечника ограничена эффектом магнитного насыщения, т.е. чем больше измеряемый ток - тем больше должно быть сечение сердечника, чтобы распределить магнитное поле по большей площади.
Сердечник должен успевать перемагничиваться вслед за изменением магнитного поля силовой обмотке, т.е. частота изменения измеряемого тока ограничена характеристиками материала сердечника.
При перемагничивании сердечника выделяется тепло, что ограничивает произведение частоты изменения тока на величину магнитного поля.
Все эти ограничения однако больше влияют на конструкцию силовых трансформаторов, а для измерительного трансформатора достаточно легко можно обеспечить очень большой запас по каждому из этих ограничений.
От теории к практике
Трансформаторы тока повсеместно используются для измерений в сети 220В. Можно купить готовый трансформатор и через простенькую аналоговую схему подключить его к микроконтроллеру, но возможность и желание ждать заказа есть не всегда, так что мы будем делать самодельный из подручных материалов - в надежде, что это получится и быстрее, и дешевле, и интереснее. Важно сказать, что у меня не было задачи сильно оптимизировать конструкцию - нужно было сделать быстро, просто и понятно, чтобы работало и не ломалось.
Чтобы получить достаточный запас по ЭДС индукции, но сохранить при этом небольшие габариты, я использовал в качестве магнитопровода ферритовое кольцо R36x23x15 PC40 (такое можно купить в ряде магазинов радиодеталей меньше чем за 100 рублей). Первичную обмотку я сделал обычным силовым проводом, просто пропустив его несколько раз через кольцо. А сигнальную обмотку намотал тонким монтажным проводом с сечением 30AWG - таким просто удобнее сделать нужное число витков. Плотность и аккуратность намотки в данном случае были не важны, т.к. достаточно было всего лишь обнаружить включение нагрузки, а не измерять потребляемый ток.
Чтобы оценить запас по ЭДС индукции, я посчитал ожидаемое напряжение на разомкнутой сигнальной обмотке при работающей нагрузке. Для этого сначала вычислил индуктивность одного витка провода на магнитопроводе:
Здесь - магнитная проницаемость материала (2300 для феррита PC40 ), - внешний радиус ферритового кольца, - внутренний радиус, - высота. Получилось значение около 3 мкГн.
Дальше я взял паспортную мощность погружного насоса, включения которого нужно было детектировать (320 Вт), и посчитал амплитуду напряжения на разомкнутой обмотке в зависимости от числа витков в первичной и вторичной обмотках:
Самодельный трансформатор тока, подключённый в цепь с тестовой нагрузкой
Поиграв с числом витков, я решил сделать 6 витков первичной обмотки и 130 витков вторичной. Так получился запас ЭДС около 1.5 В и амплитуда тока в короткозамкнутой сигнальной обмотке чуть меньше 100 мА, что при использовании резистора на 5 Ом соответствует падению напряжения около 0.5 В. Больше витков силового кабеля было бы сложнее впихнуть в просвет кольца, да и ток в сигнальной обмотке не хотелось делать слишком большим (т.к. она сделана из довольно тонкого провода). При меньшем числе витков первичной обмотки для получения хорошего запаса по ЭДС пришлось бы сильно увеличить число витков во вторичной обмотке - а значит гораздо больше возиться с намоткой и получить для детектирования в несколько раз меньший ток.
Схема подключения к микроконтроллеру
На выходе трансформатора тока, шунтированного резистором, получается переменное напряжение, которое нужно как-то детектировать с помощью микроконтроллера. Сначала я собирался использовать для этого диодный выпрямитель, однако это оказалось не очень удачной идеей. Дело в том, что на открытом диоде присутствует довольно значительный перепад напряжения, особенно если это не диод Шоттки. Кроме того, детектировать переменный сигнал известной частоты проще в плане соотношения сигнал/шум.
В итоге я решил просто подать напряжение на шунтирующем резисторе (собранном из двух параллельно включённых резисторов R3 и R4 номиналом по 10 Ом) через токоограничивающий резистор R5 на АЦП-вход микроконтроллера A0 . А чтобы выставить уровень напряжения при отсутствии тока в обмотке, сделал простой резистивный делитель R1/R2 со стабилизирующим конденсатором C1 .
Схема подключения трансформатора тока к микроконтроллеру
Таким образом, при выключенной нагрузке на входе микроконтроллера будет напряжение, равное половине напряжения питания. А при включённой - колебания частотой 50 Гц вокруг половины напряжения питания с амплитудой, пропорциональной мощности нагрузки.
Резистор R5 не будет влиять на измерения, т.к. при нормальной работе ток через него пренебрежимо мал. Но если по каким-то причинам на выходе трансформатора возникнет скачок напряжения, превышающий половину напряжения питания, в микроконтроллере откроется защитный диод D1 или D2 , соединяющий вход с одной из линий питания. В этом случае через резистор R5 потечёт ток, и напряжение будет падать на этом резисторе, а не на диоде. Таким образом, резистор R5 защищает вход микроконтроллера от скачков напряжения.
Код для микроконтроллера
Поскольку в моём случае достаточно было детектировать сам факт включения нагрузки, код получился очень простым:
В течение одного периода колебаний измеряется максимальное и минимальное значение на АЦП и величина тока определяется по разности между ними. При включённном насосе функция возвращает значение более 200 отсчётов, а при выключенном - меньше 10.
График значений функции measureCurrent() в зависимости от времени
Заключение
В итоге получилась довольно простая, надёжная и дешёвая система детектирования включений погружного насоса. Она непрерывно работает уже 7 месяцев и пока не потребовала каких-либо вмешательств.
Сделать свой собственный трансформатор тока оказалось совсем несложно и достаточно интересно. Я постарался максимально подробно изложить здесь полученный при этом опыт. Надеюсь, эта статья позволит кому-нибудь быстрее разобраться в принципах работы трансформатора тока и реализовать свои собственные проекты с использованием этого элемента.
UPD: В комментариях подсказали очень дешёвый вариант готового трансформатора тока - ZMCT103C, судя по характеристикам его вполне можно было бы использовать для решения моей задачи.
Почему нельзя включать трансформатор в постоянный ток?
Можно, только он сгорит.. .
Потому что ток в трансформаторе, включенном в цепь переменного тока, ограничивается индуктивным сопротивлением его катушки, проявляющимся только при переменном токе через катушку, а при включении в цепь постоянного тока индуктивное сопротивление катушки равно нулю и ток через трансформатор будет ограничен лишь активным сопротивлением его катушки (сопротивлением провода) , намного меньшим.
И даже если бы он не сгорел, напряжение во второй катушке возникает из-за периодического изменения магнитного поля в сердечнике, а при включении в цепь постоянного тока в сердечнике, пока не сгорит катушка, установится постоянное магнитное поле, не создающее напряжения (точнее, ЭДС) во второй катушке.
Остальные ответы
да можно, только он работать не будет
он имеет очень маленькое сопротивление постоянному току
а включить то можно, он нагеется и работать не будет.
P.S. школьный учебни физики тебе в помощь
Передача энергии от первичной отмотки к вторичной - это закон Фарадея: изменение магнитного потока вызывает появление эдс. То есть чтобы во вторичной обмотке наводилось напряжение, магнитный поток через неё (который создаётся током в первичной обмотке) должен ИЗМЕНЯТЬСЯ. Постоянный ток не может создавать изменяющегося магнитного потока (ну разве что только в момент включения. ) , поэтому на постоянном токе трансформатор работать не будет. А что такое трансформатор, который не работает, с точки зрения источника, который на него смотрит? Кусок провода. Просто омиское сопротивление первичной обмотки - единицы ом. Значит, если его подключить к источнику 220 В, через него пойдёт жуткий ток, и транс просто сгорит (или пробки выбьет) .
А чтоб магнитное поле в сердечнике ВСЁ ВРЕМЯ изменялось, надо брать переменный ток.
не во всех случаях. трансформатор передатчика одной обмоткой сидит на постоянном токе ( ток покоя транзистора или лампы)
силовые трансформаторы нельзя включать в постоянный ток, так, как обмотка имеет малое электрическое сопротивление постоянному току, и он выйдет со строя.
Просто не будет изменений магнитных линий во вторичке и индукцыонного тока не будет.
Работать он не будет. вот и все. Есть преобразователи постоянного тока в переменный, в них стоят трансформаторы, первичная обмотка подключена к генератору, а вторичная уже выдает переменный ток. ФИЗИКУ УЧИ.
Сахалинский форум
Технологии, радиотехника. Исключая авто, компьютерную, мобильную, бытовую технику.
19 Января 2013 7 Марта 2013
Тема № 1092852
Вопрос к электрикам, если к вторичной обмотке понижающего силового трансформатора 10/0,4 кВ подвести напряжение 380 В, сможем ли мы путем эффекта обратной трансформации получить на первичной обмотке напряжение 10 кВ
анонимная 89786
7 марта 2013 23:46
7 марта 2013 23:46
26 янв. 2013 08:10
26 янв. 2013 08:10
26 янв. 2013 00:00
26 янв. 2013 00:00
26 янв. 2013 08:02
26 янв. 2013 08:02
(Добавлено через 57 секунд)
Этого инвертора обычно +12.
(Добавлено через 1 минуту)
анонимный 46088
26 янв. 2013 16:53
26 янв. 2013 16:53
24 янв. 2013 07:14
24 янв. 2013 07:14
анонимный 46088
24 янв. 2013 20:51
24 янв. 2013 20:51
анонимный 23102
26 янв. 2013 13:12
26 янв. 2013 13:12
анонимный 46088
26 янв. 2013 16:45
26 янв. 2013 16:45
анонимный 23102
26 янв. 2013 17:35
26 янв. 2013 17:35
анонимный 46088
26 янв. 2013 17:57
26 янв. 2013 17:57
анонимный 23102
26 янв. 2013 18:16
26 янв. 2013 18:16
анонимный 46088
26 янв. 2013 18:27
26 янв. 2013 18:27
анонимный 23102
26 янв. 2013 18:30
26 янв. 2013 18:30
анонимный 46088
26 янв. 2013 18:39
26 янв. 2013 18:39
анонимный 23102
26 янв. 2013 18:41
26 янв. 2013 18:41
26 янв. 2013 08:04
26 янв. 2013 08:04
25 янв. 2013 23:12
25 янв. 2013 23:12
анонимный 50467
24 янв. 2013 20:56
24 янв. 2013 20:56
анонимный 77190
24 янв. 2013 06:42
24 янв. 2013 06:42
24 янв. 2013 04:02
24 янв. 2013 04:02
24 янв. 2013 03:35
24 янв. 2013 03:35
20 янв. 2013 17:40
20 янв. 2013 17:40
20 янв. 2013 10:37
20 янв. 2013 10:37
20 янв. 2013 10:35
20 янв. 2013 10:35
20 янв. 2013 10:01
20 янв. 2013 10:01
анонимный 23102
19 янв. 2013 19:51
19 янв. 2013 19:51
19 янв. 2013 18:00
19 янв. 2013 18:00
19 янв. 2013 17:36
19 янв. 2013 17:36
19 янв. 2013 17:27
19 янв. 2013 17:27
5 Сентября 6 Сентября
Ученые создали новый тип фотоячеек для добычи солнечной энергии.
Исследователи из Италии и России создали новый источник получения солнечной энергии. Речь идет о уникальных фотоячейках, с помощью которых моно обеспечить энергией большое количество беспроводных устройств.
По словам ученых, на данный момент рынок беспроводной цифровой (и не только) техники растет и развивается. Все больше людей приобретают для пользования фитнес-браслеты, умные наручные часы, а без смартфона современного человека вовсе… (читать далее)
Многие не знают, но трансформатор работает именно так!
Трансформатор это одно из самых важных устройств для электрики и энергетики. Без него никакая дальняя передача электроэнергии была бы невозможна. Но как работает это замечательное устройство? Вы удивитесь, какой простой , но, в то же время, чудесный принцип лежит в основе его работы! Интересно? Тогда читайте дальше !
Превращения электричества: научная магия
Электрическая энергия может существовать в двух видах - электрического поля и магнитного . Поле - это невидимая сила , способная вызывать в предметах самые разные процессы. Например, поле гравитации притягивает ваш бутерброд к полу, когда вы, по неловкости, выпускаете его из рук. А электрическое и магнитное поле действуют на металлы . Когда магнитное поле пересекает металл, причём "в движении", в металле возникает упорядоченное движение зарядов, то есть электрический ток .
Действие магнитного поля на проводник из металла Действие магнитного поля на проводник из металлаКонечно, если убрать магнитное поле, заряды снова "разбредутся" и ток сойдёт на нет. Но при повторении этого процесса раз за разом, по кругу, на концах металлического предмета появится переменное напряжение - так работает генератор .
Трансформатор - превращатель: работаем с магнитным полем
Хорошо - скажете вы - но при чём тут трансформатор ? Да при всём! Что представляет собой любой трансформатор? Две катушки с проводом, надетые на железную рамку . И да - они не соединены друг с другом - вообще никак. Между ними пустота - но не совсем.
Принцип работы трансформатора Принцип работы трансформатораЕсли подать на одну из катушек переменное напряжение , она породит магнитное поле - тоже переменное. Через железную рамку, которая вбирает в себя это поле, оно попадает на вторую катушку. А что происходит, когда через провод проходит движущееся магнитное поле? Правильно - в нём возникает ток .
Если на обоих катушках одинаковое количество оборотов (витков) провода, то и напряжение на выходе будет равно напряжению на входе, потому что магнитное поле порождается и впитывается одинаковым числом "рамок" из провода.
Повышающий трансформатор для линии электропередачи Повышающий трансформатор для линии электропередачиНо при разном числе витков, напряжение изменится . Если на второй катушке витков в два раза больше, чем на первой - напряжение повысится в два раза. Это применяется в линиях электропередачи - при высоком напряжении сила тока становится небольшой и потери на тепло в проводах стремятся к нулю. Это повышающий трансформатор .
Понижающие трансформаторы в дорогом усилителе звука Понижающие трансформаторы в дорогом усилителе звукаА понижающий трансформатор, то есть тот, в котором вторая катушка имеет меньше витков, чем первая, используется в бытовой технике и так называемых подстанциях - домиках, внутри которых очень высокое напряжение, пришедшее издалека, становится нормальным - 380/220 Вольт и подаётся в наши дома.
Заключение
Читайте также: