Трансформатор – найбільш складний елемент блоку живлення, тому про нього треба поговорити детальніше. Насправді підручник для розробників трансформаторів малої потужності (малої потужності – це ті, які застосовуються в підсилювачах, трансформатори великої потужності використовуються на підстанціях) має об’єм порядку 600 сторінок. Так що в нашій книзі все буде значно спрощено. І хочу нагадати, що розрахунок та виготовлення трансформаторів виходять за рамки даного видання. Але озброївшись цими знаннями, буде набагато простіше зрозуміти спеціальну книгу з розрахунку трансформаторів.

Ідеальний трансформатор. Трансформатор перетворює змінний струм однієї напруги в змінний струм іншої напруги тієї ж частоти. У простому випадку трансформатор складається з двох обмоток, намотаних на замкнутий сердечник з магнітного матеріалу (бувають і однообмоточние автотрансформатори, застосовувати їх для живлення підсилювачів в жодному разі не можна!). Числа витків обмоток W1 і W2. Подамо на обмотку I змінну напругу U1. Потече струм І (рис.6).

Оскільки у нас є обмотка з струмом, то вона створює усередині себе магнітне поле (таке ж змінне, як і струм). Магнітне поле проходить по сердечникові і потрапляє в другу обмотку II. І тут працює закон електромагнітної індукції – в провіднику, вміщеному в змінне магнітне поле, наводиться напруга. Строго кажучи, в провіднику виникає не напруга, а електрорушійна сила – ЕРС. Це майже те ж саме, але з деякими нюансами. Але для простоти будемо користуватися звичним терміном “напруга”.

Таким чином, на одній обмотці в нас виходить напруга U1, на іншій – U2. І співвідношення між ними дуже просте:

робочої індукцією ток хх виглядає так, як показано на рис. 12а і практично не створює високочастотних перешкод, тому виготовлення для аудіотехніки трансформаторів зі зниженою робочою індукцією цілком виправдано.

Цікаво, що підключення навантаження і передача енергії у вторинну обмотку нічого не змінює в роботі трансформатора на холостому ходу – це два абсолютно незалежних процесу! Змінюється лише форма струму первинної обмотки – тепер там протікає сума струму холостого ходу і струму, переданого під вторинку через коефіцієнт трансформації.

Втрати в обмотках трансформатора. Розрізняють два види втрат – активні та індуктивні (так, для простоти будемо називати падіння напруги в обмотці, викликане індуктивністю, називати це втратами не зовсім правильно, але ми будемо мати на увазі втрати напруги, а не потужності, так що зійде). Активні – це падіння напруги на активному опорі проводів обмоток. Чим більше діаметр дроту, тим менше його опір і менше втрати (довжина дроту фіксована: вона визначається числом витків обмотки і довжиною витка – перетином сердечника). Однак максимальний діаметр проводу обмежений габаритами сердечника – обмотка повинна на ньому поміститися. Активні втрати пропорційні квадрату струму обмоток і є основною причиною нагріву трансформатора (в неправильно сконструйованому трансформаторі з цієї причини може сильніше грітися первинна обмотка, якщо струм холостого ходу надто великий).

Індуктивні втрати пов’язані з так званими полями розсіювання. В ідеальному трансформаторі індуктивність обмоток ніяк не позначається на його роботі з передачі енергії з первинної обмотки у вторинну. Це відбувається через взаємодію магнітних полів, що створюються первинної і вторинної обмотками: магнітне поле вторинної обмотки компенсується підвищенням струму первинної обмотки, таким чином, обмотки компенсують індуктивності один одного. Але в реальному трансформаторі такої повної стовідсоткової компенсації не відбувається. Справа в тому, що не все магнітне поле, створене первинної обмоткою, потрапляє під вторинну. Точно також не все магнітне поле вторинної обмотки потрапляє в первинну. Те поле, яке створене однією з обмоток і не потрапило в іншу, називається полем розсіювання. Саме воно створює індуктивність обмотки, адже ця індуктивність не може бути скомпенсовано інший обмоткою – компенсація відбувається тільки через загальний магнітний потік. Чим більше поля розсіювання, тим більше індуктивність обмоток трансформатора (І тим більше магнітного поля йде в навколишній простір у вигляді перешкод). Насправді некомпенсована індуктивність досить мала, за обсягом порівнянна з активним опором обмоток (зазвичай трохи більше). Робота трансформатора в насиченні або немагнітний зазор в сердечнику різко збільшують поля розсіювання.

Одним із способів зменшення цих полів є виготовлення беззазорному кручених стрічкових сердечників. Іншим – рівномірний розподіл обмоток по всьому сердечникові. Найкраще це досягається в тороїдальних трансформаторах. Однак в сучасних трансформаторах величина індуктивних втрат невисока, тому в переважній більшості випадків параметри звичайних силових трансформаторів є досить хорошими.

На рис. 13 показана схема заміщення обмотки трансформатора.

Тут Е – ЕРС (виникає напруга) обмотки, Rk – активний опір проводу обмотки, Lk – індуктивність обмотки, викликана потоками розсіювання. Якби їх не було, то вся індуктивність вторинної обмотки була б скомпенсирована первинної обмоткою, а так залишається невелика індуктивність через те магнітного поля, яке створене вторічкой, але не потрапило в первинну обмотку. U – напруга, що видається обмоткою в навантаження. При протіканні струму частина напруги падає на Rk і Lk, тому U завжди менше Е. Так виникають просадки напруги в трансформаторі.

ККД трансформатора досить високий і для трансформаторів 40 … 200 ВА становить 85 … 92% (чим потужніший трансформатор, тим вище його ККД). Через некомпенсованої індуктивності первинної обмотки трансформатори легко витримують короткі високовольтні імпульси, що існують в мережі, тому захисні ва-Рісторі для них можна не застосовувати (але гірше від застосування варистора не буде). А ось тривалий перенапруження трансформатори витримують погано. Зате добре витримують короткочасні (порядку секунд) перевантаження по струму – аж до 3 … 5 кратних. Це можливо завдяки великій тепловій інерції обмоток. А ось при тривалої струмового перевантаження в первинній обмотці (вона зазвичай намотується всередині і охолоджується гірше) температура може підвищитися настільки, що пошкодиться ізоляція і відбудеться межвитковое замикання.

Треба пам’ятати, що основний нагрів відбувається в обмотках і він пропорційний квадрату струму: при половинній навантаженні нагрів зменшується майже в 4 рази, а при дворазової перевантаження – зростає в 4 рази.

Джерело: Рогов І.Є. Конструювання джерел живлення звукових підсилювачів. – Москва: Инфра-Інженерія, 2011. – 160 с.