5.3. Включение трансформаторов на 400 Гц в осветительной сети 220 В 50 Гц
Если разобраться по существу в многообразии промышленных и самостоятельно изготовляемых радиолюбителями источников питания, то напрашивается удивительный вывод. В основном встречаются такие источники, в которых применяются одни и те же (из большого многообразия находящихся в продаже) понижающие трансформаторы. Все эти трансформаторы, по сути, выполняют одну роль. Благодаря магнитной индукции часть напряжения на первичной обмотке трансформатора передается на вторичную обмотку. Род тока при этом не изменяется, а коэффициент трансформации зависит от сопротивления обмоток электрическому току, мощности нагрузки, подключенной к вторичной обмотке трансформатора и приложенному напряжению Uc (на первичной обмотке). Для понижающего трансформатора, применяемого в маломощном источнике питания, по-настоящему важны несколько ранее описанных электрических параметров.
На практике, один и тот же трансформатор выдает разное напряжение на вторичной обмотке, в зависимости от напряжения на первичной обмотке. Причем важно, чтобы частота в осветительной сети равнялась 50 Гц (с незначительными отклонениями). В обозначении трансформаторов частота обязательно указывается на их корпусе.
Это замечание актуально для трансформаторов, работающих в понижающем режиме, когда первичная обмотка имеет сопротивление электрическому току много большее, чем вторичная (и последующие, в случае если трансформатор имеет несколько обмоток). На практике, для того чтобы понять — годится ли трансформатор в качестве понижающего в цепи 220 В (когда неизвестны его справочные данные или обозначение на корпусе не читается), рекомендуется проверить обмотки омметром и определить обмотку с максимальным сопротивлением. Ее и подключают в сеть 220 В. Каких-либо жестких критериев сопротивления первичной (сетевой) обмотки нет, и ее сопротивление может достигать и 100 Ом, и например, 1 кОм — все зависит от мощности и предназначения трансформатора. Разумно заметить, что включать непосредственно в сеть 220 В переменного тока трансформатор с обмоткой до 10 Ом опасно. Для этого используются автотрансформаторы (включенные между напряжением 220 В и обмоткой экспериментального трансформатора) или балластные конденсаторы, о которых написано далее.
Радиолюбителям наверняка будет полезно знать, какие сетевые трансформаторы пользуются популярностью среди электронных конструкций, уверенно зарекомендовали себя с положительной стороны по безопасности и длительности (в режиме работы 24 часа на протяжении нескольких лет) эффективной работы. Для этого в табл. 5.1 для примера приводятся названия некоторых популярных трансформаторов, которые автор не раз использовал в своих электронных конструкциях.
Кроме трансформаторов, рассчитанных на частоту 50 Гц, есть и другие, разработанные соответственно для других целей. Например, это накальные трансформаторы на частоту 400 Гц, применяемые в военной промышленности и специализированных электронных устройствах. Радиолюбитель не должен их «сбрасывать со счетов», т. к. с помощью таких «неподходящих» трансформаторов можно изготовить не один десяток полезных устройств, в сфере преобразователей напряжения и источников питания. Эти трансформаторы на практике прекрасно себя зарекомендовали в устройствах преобразования и питания с частотой 380…1000 Гц в режиме нагрузки разной (в том числе максимальной) мощности.
Рассмотрим широко распространенный трансформатор ТА1-220-400.
Его можно применять как понижающий в осветительной сети 220 В 50 Гц в качестве основного элемента источника питания. Выходной ток источника питания невелик, — порядка 70 мА, однако из-за относительно высокого выходного напряжения (до 30 В) такой источник питания оказывается незаменим, например, для питания накальных индикаторов (например, ИВ-21) и в ряде аналогичных случаев.
На рис. 5.3 представлена электрическая схема источника питания, где в качестве понижающего трансформатора применен ТА1-220-400.
Как видно из схемы, она классическая, и ничего необычного в ней нет. Точками на схеме обозначены начала обмоток трансформатора, однако, для сборки схемы оказывается достаточно только правильно подключить их выводы. Данная схема может с успехом служить тому радиолюбителю, кто озаботится самостоятельным изготовлением маломощного источника питания с выходным напряжением 2,5 В (переменный ток) и 27–30 В (постоянный ток).
Оба напряжения будут полезны для испытания необычных конструкций. Так, например, напряжение 30 В (как переменного, так и постоянного тока) уместно использовать в лаборатории радиолюбителя при настройке телефонных аппаратов с функцией АОН (и не только). Этот сигнал будет имитировать сигнал звонка-вызова с телефонной линии и для настройки АОН (или другого телефона) намного безопаснее, чем сигнал с амплитудой в два раза большей (как в реальной телефонной линии). Кроме того, выходное напряжение 2,5 В удобно использовать для питания домашних часов-будильников (с питанием 1,5…3 В, добавив небольшую выпрямительную схему), тогда не придется постоянно покупать батарейки, а также для питания зарядного устройства дисковых аккумуляторов и элементов с таким же номинальным напряжением.
5.3.1. Особенности устройства
Главное в схеме — не перепутать подключение обмоток трансформатора Т1.
Эксплуатация трансформатора на 400 Гц в сети 220 В с частотой 50 Гц практически безопасна благодаря балластному конденсатору С1 и шунтирующему резистору R1, установленным последовательно с первичной обмоткой Т1. Неполярный конденсатор, включенный в цепь переменного тока, ведет себя как сопротивление, но, в отличие от резистора, не рассеивает поглощаемую мощность в виде тепла. Это позволяет сконструировать компактный (благодаря миниатюрным трансформаторам на 400 Гц) источник питания, легкий и относительно недорогой. Емкостное сопротивление конденсатора при частоте f описывается выражением:
ХС=1/2πfC,
где π — (пи), f (частота) — выражена в Гц, С— емкость конденсатора в фарадах. В том случае, когда напряжение на нагрузке не превышает 30 В, уместно также пользоваться формулой:
С = 3200 × (Iн: Uс).
В этой формуле емкость балластного конденсатора С1 рассчитана в микрофарадах, Uc — напряжение в сети 220 В, Iн — ток нагрузки в цепи (А).
Благодаря включению в данной схеме понижающего трансформатора, безопасность использования рекомендуемого источника питания многократно повышается (относительно бестрансформаторного источника при прочих равных условиях).
Изменением емкости балластного конденсатора С1 в данной схеме удается регулировать выходное напряжение источника питания, что весьма удобно. Таким же способом можно включать в сеть 220 В и другие трансформаторы с первичными обмотками, не рассчитанными для напряжения 220 В (с низковольтными первичными обмотками). Балластный конденсатор в этом случае подбирают так, чтобы при максимальном токе нагрузки выходное напряжение трансформатора соответствовало заданному.
Балластный конденсатор С1 в данной схеме используется на рабочее напряжение не менее 300 В (например, МБГЧ-1, МБГЧ-2, К73-11, К73-17 и аналогичный).
Диоды VD1, VD2 стабилизируют напряжение на выводах 13 и 16 трансформатора Т1. Если такая стабилизация не нужна, а скачки напряжения из-за отключения/подключения нагрузки в диапазоне ±20 % допустимы, то эти диоды можно из схемы исключить.
Оксидные конденсаторы С2 и С3 сглаживают пульсации напряжения на выходе выпрямителя, реализованного на диодном мосту VD3. Отвод от середины вторичной обмотки трансформатора ТА1-220-400 (вывод 10) позволяет получить постоянное (относительно общего провода) выходное напряжение 15 В. Если в таком решении необходимости нет, то подключение вторичной обмотки может быть ограничено только выводами 6 и 7 трансформатора Т1, диодным мостом VD3 и конденсатором С3.
На накальных трансформаторах (обозначение ТА, ТН), предназначенных для работы в электрических цепях с частотой 400 Гц, можно сделать эффективные преобразователи напряжения для питания, например, электробритвы, фотовспышки или маломощных ламп дневного света. Причем основным источником питания будет автомобильный (или иной) аккумулятор с током не менее 500 мА и напряжением не менее 10 В.
Кроме указанного на схеме трансформатора подойдут также ТН30-220-400, ТН32-220-400, ТН36-220-400, ТН60-220-400. В этих случаях изменяется только мощность трансформатора (соответственно 30, 32, 36 или 60 Вт) без изменения схемы. А для трансформаторов типа ТН47-220-400, ТН48-220-400 дополнительно потребуется уточнить их цоколевку выводов.
