Впервые с проблемой я столкнулся в 1960-м году. Собственно проблема не моя, но потерпевшим оказался я где-то, в чём-то?! Удмуртия. Посёлок затерянный в лесах. Единственное предприятие «Лесхоз». Что там они делали я не знаю, да и не в этом дело?! А в их небольшой электростанции, дающей электроэнергию в посёлок. По крайней мере в ту часть, где мне пришлось жить. Днём ещё ничего, а вот с наступлении вечера, ночи... Напряжение в сети падала чуть ли не в половину?! Да найти стол, стул, кровать при красноватом свете «лампочки Ильича» ещё можно было, а вот радиоприёмник? Он тупо переставал работать. И всё из-за возросшей нагрузки и длинных линий. Точнее потерь в этих линиях!
Тема уменьшения потерь при передаче электроэнергии на большие расстояния возникла сразу же, вместе с желанием электрофицировать страну. И что с этим делать? Пути к уменьшению потерь разные. Первым, что приходит на ум, это применение металлов для проводов с малым сопротивлением и это верно. Но!? Но, скажем замена алюминиевых проводов на медные даст выигрыш. Медь имеет так называемое удельное сопротивление меньше чем у алюминия в 1,65 раза, но зато вес меди (удельный) в 3,3 раза больше чем у алюминия! И без того громоздкие сооружения линий передач станут ещё более громоздкими. Где же выход? Выход в повышении напряжения при передаче на большие расстояния. Скажем не 220 вольт, а 1150000 вольт.? Это значит, что для передачи одной и той же мощности при помощи высокого напряжения ток уменьшится 5227 раз (вспомните закон Ома!?). Соответственно и потери на нагрев улицы уменьшатся! Но как получить такое сумасшедшее напряжение и что потом с ним делать на приёмной стороне?! Прямо так сунуть к нам в квартиру, дом? И делайте со всем этим что хотите? Получается замкнутый круг! Но выход был найден благодаря открытию электромагнитной индукции и изобретению переменного тока!
К открытию вели два факта: ток протекающий по проводнику создавал магнитное поле и наоборот магнитное поле создавало электрический ток в проводнике. Получается, что протекающий по проводнику ток индуцировал в рядом расположенном проводнике такой же ток! Вот только была одна неувязочка, всё это происходило в мгновение, в момент включения либо выключения тока. То есть при изменении величины появляющегося (исчезающего) магнитного поля. Постоянный ток не мог индуцировать такой же ток в расположенном рядом проводнике, увы! И только когда был изобретён переменный ток, решение сдвинулось с мёртвой точки!
Как долго мы бы топтались на месте, если бы не был изобретён ТРАНСФОРМАТОР!? Трансформатор от латинского transformare (превращать, преобразовывать). Те же два проводника влияющие друг на друга электромагнитными полями, но свёрнутые в многовитковую спираль. А для большего воздействия применили сердечник из магнитных материалов. Вот на рис2 Вы и видите один из первых трансформаторов. Провода свёрнутые в спираль обозвали обмотками, первичной и вторичной. На первичную подают напряжение, а с вторичной снимают. А снимают, что? Это, как Вы решите?! Всё зависит от соотношения числа витков этих обмоток? Если число витков вторичной больше первичной, трансформатор повышающий. Если наоборот, — понижающий. Вот пример на рис9 понижающего трансформатора. С 220 В. на 36 В. Тильдочки в виде волны означают, что ток переменный.
Думаю Вы теперь догадались как использовать трансформаторы для уменьшения потерь в линиях электропередач?! На рис1 Вы видите путь электроэнергии от Волховской ГЭС к Вам: до дому, до хаты?! Да, в реальности применяют трёхфазный ток... Я же для простоты объяснения показал однофазный. Все цифорки чисто условные и лишь последние, приходящие в дом, реальные. В реальности ток с теми же цифорками, но трёхфазный! Последние трансформаторы в этой цепочке стоят в городских дворах, коттеджных посёлках, сёлах, деревнях. Если Вы городской житель, походите по ближайшим дворам и Вы наверняка обнаружите одноэтажное приземистое здание. Это и есть последний трансформатор-подстанция.
Теперь о том, что нам с Вами ближе! О трансформаторах в наших (ваших) электрических и радио устройствах. Трансформаторы в общем виде делятся на: силовые, согласующие (низковольтные) и импульсные. Каждый из них выполняет свои, соответствующие функции. Итак, СИЛОВЫЕ.
СИЛОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ. Да, конечно сейчас это уже не так громко звучит... Силовой это такой, который обеспечивает питанием весь аппарат, прибор, радиоприёмник, телевизор... Совместно со схемой обзывают это всё БЛОКОМ ПИТАНИЯ. О самих блоках мы поговорим возможно позже и в другой Мини-лекции. А пока? Да только о силовых. Если Вы совершенно случайно откроете журнал РАДИО №7 стр 22 за 1948 год, то увидите схему радиоприёмника «Рекорд-47». В правом нижнем углу расположен то, что сейчас назвали бы блоком питания. Хотя вообще-то это неверно! Блок это совершенно отдельная, уникальная конструкция, а не часть схемы. Как видите здесь нет трансформатора вообще! И как? А, никак. В смысле нормально. Это бестрансформаторная схема питания радиоприёмника. 47, это 1947год, год выпуска изделия. Это тяжёлые послевоенные неурожайные годы. Когда ещё существовали продовольственные карточки... Экономия была во всём. И в нашем случае тоже. Если Вы проследите схему, то видно, что накал ламп осуществлялся непосредственно от сети. Через гасящее сопротивление (резистор). И один провод, сетевой подключался к металлическому корпусу! Так, что безопасность была не низкой, а очень низкой! Единственный плюс, это возможность питать радиоприёмник постоянным током. Правда, где его взять?
Конечно же это были одни неудобства... И вот уже в 1952 году начали выпускать народный «Москвич» часть схемы рис13. И вот уже здесь появился трансформатор, но? Но это был лишь автотрансформатор. Авто, от греческого (autos «сам» + трансформатор). Это трансформатор у которого первичная обмотка объединена со вторичной. А низкие напряжения или высокие снимаются от как бы вторичной с помощью отводов. Так при напряжения сети 220 В автотрансформатор работал как понижающий до 6,3 В., а вот при 110/127 В уже как понижающий, так и повышающий! Да удобство увеличилось. Но вот безопасность, нет! По-прежнему один провод сети «сидел» на корпусе приёмника! И только в 1953 году наконец-то появились действительно силовые трансформаторы, гальванически развязанные с сетью. На рис12 узел питания радиоприёмника «Рекорд-53М». Все сетевые подключения-переключения были изолированы от остальной части схемы. В последствии такое стало применяться повсеместно...
Хочу сказать отдельно несколько слов о автотрансформаторе на рис7. Да он к нашей теме как-то не очень, но? Но в ряде случаев, даже очень! Устройство его очень простое. Здесь в отличие от предыдущих трансформаторов сердечник в виде кольца. На рис8 фрагмент такого автотрансформатора. На кольцо-сердечник наматывается изолированный проводник. Витки обмотки располагаются перпендикулярно окружности кольца. Верхняя кромка обмотки зачищается от изоляции. По окружности движется ролик-токосъёмник. На рис6 схема такого вот автотрансформатора. Правда наличие в схеме амперметра?.. Но это может быть, а может и не быть?! Тоже самое и с вольтметром. Так в таких вот, старых, советских автотрансформаторах вольтметра не было вообще! На часть обмотки подаётся напряжение сети 220 В. А с ползунка-токосъёмника снимается необходимое Вам. Чёрная стрелочка Uвых меньше 220 В. Красная ровняется напряжению сети. Если нужно повысить (более 220 В.) ползунок передвигается вверх. В реальности регулировка производится вращением ручки в верхней части автотрансформатора. В СССР такой автотрансформатор называли лабораторным или сокращённо «ЛАТР».
Кстати! Такие трансформаторы, авто можно (только осторожно!) включить шиворот-навыворот! То есть на регулируемую часть подавать заниженное напряжение сети, а повышенное равное уже 220 В снимать для своих нужд! Так в этом чёртовом посёлке, в Доме пионеров и делалось... Иначе никак, в смысле по вечерам.
СОГЛАСУЮЩИЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ. Это трансформаторы связывающие что-то с чем-то, отличающиеся друг от друга чем-то? На рис10 вот такой именно трансформатор. У кого раньше был дома абонентский громкоговоритель, то вот там такая схема и была. Кто не в курсе, с радиоузлов по городу, посёлку, селу проходили «силовые» радиолинии 120 В. В домах или части города с помощью понижающих трансформаторов сигнал снижался до 30 В. А потом? Если в доме был электромагнитный громкоговоритель «чёрная шляпа», то из-за большого сопротивления он включался в сеть 30 В непосредственно. А вот динамики (динамические громкоговорители) пришлось согласовывать с помощью согласующего трансформатора рис10. Сопротивление динамика где-то 3-5 Ом. И стало быть напряжение для его работы нужно маленькое. А в сети 30 В. Поэтому первичная обмотка имела большое сопротивление как у «шляпы», а вторичная маленькое. Аналогичные трансформаторы применялись (применяются) для подобного согласования каких-то каскадов, частей, имеющих разные параметры. Если трансформаторы стояли на входе схемы, то назывались входными. На выходе, выходными (как на рис10). Остальные промежуточные или (межкаскадные).
ИМПУЛЬСНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ. Как можно было догадаться предназначенные для работы с импульсами. В основном они разделяются на две группы: низковольтные для работы в генераторах импульсов и высоковольтные в развёртывающих устройствах. Последние могли давать напряжение на выходе до 20000 и более вольт! Основная задача таких трансформаторов как можно меньше вносить искажения. Вот на рис4 на одном графике показаны: прямоугольный импульс (реальный с зелёной подсветкой) и на выходе импульсного трансформатора (красная подсветка) искажённый. Это он ещё шибко приглаженный! В действительности же выглядит ещё страшнее!
ДРОССЕЛИ. Если Вам показать дроссель, Вы наверняка его сразу и не отличите от трансформатора?.. У дросселя всего одна обмотка и два вывода естественно. Основной показатель, это индуктивность и минимум потерь. В зелёном прямоугольнике две формулы: сопротивление индуктивности и ёмкости (конденсатора). А, на рис5 схема выпрямителя как основа блока питания чего-нибудь?! Согласно формулам с увеличением частоты сопротивление индуктивности увеличивается, а ёмкости наоборот уменьшается. В выпрямителе С1, С2 и индуктивность дросселя Др играют роль фильтра. Фильтр должен выделить постоянную составляющую (постоянный ток) и по максимуму не пропустит переменную! Те самые 50 Гц. Дроссель задерживает переменную составляющую, а конденсаторы замыкают на «землю».
Несколько слов о составной части всех трансформаторов и дросселей, о сердечниках. От качества которых и зависит успешная работа всех железяк. Все сложности и тонкости расчёта этих сердечников мы конечно не будем рассматривать, а так по чуть-чуть... Все сердечники отличаются друг от друга как по типу, так и технологическому исполнению. На рис11 Вы и видите основные виды сердечников. Рис11а, так называемый БРОНЕВОЙ. Почему броневой??? Рис11b, ТОРОИДАЛЬНЫЙ. Такой как в автотрансформаторе рис7. Рис11с, СТЕРЖНЕВОЙ. Все они собираются их ленточного материала. Чёрные линии поперёк сердечников, это границы между половинками. Их потом уже собирают вместе. На рис11d штампованные пластины для сборного сердечника. Кстати, из таких и подобных пластин собирают и броневые и стержневые сердечники.
В зависимости от потребности, такие (штампованные) собираются либо встык, либо вперекрышку. Нижняя пластина так и называется Ш-образная, а верхняя замыкающая. Сердечник встык собирается так, как Вы и видите на рис11d. В смысле Вы видите как бы верхние пластины сложенные стопкой. Вперекрышку, так же стопкой, но в очерёдности... А, это как? Сначала ложится то, что Вы и видите. Сверху на неё тот же набор, только вверх «ногами». Потом опять правильно и так до самого нужного размера (толщины). По необходимости замыкающие пластины склеивают специальной пастой с торцами Ш-образной.
При сборке встык, если необходимо не склеивают, а наоборот делают изолирующую прокладку. Аналогично поступают и с ленточными сердечниками. Далее (или во время сборки Ш-образных) размещают катушки с обмотками. Здесь варианты разные. Так на рис2,9 П-образные, штампованные. На рис3, Ш-образный сердечник. На рис2а броневой, ленточный. Кстати, если при царе-горохе трансформаторы (дроссели) делались под конкректную конструкцию, то позже начали выпускать УНИФИЦИРОВАННЫЕ! Вот на рис2а он и есть!
Вот пожалуй и всё!