Elektrické světelné zdroje. Typy výbojek a jejich rozsah

Při studiu vlastností elektrického proudu spojil V.V Petrov dvě uhlíkové tyče (elektrody) měděným drátem k pólům jím postavené baterie a spojil jejich konce. Viděl, jak se mezi nimi objevil jasný oblouk a osvětlil laboratoř. Když do něj vědec začal zavádět kusy kovu, velmi rychle se roztavily. Petrov pozoroval jev elektrického výboje mezi konci mírně zředěného uhlí jak ve vzduchu, tak v jiných plynech a vakuu. Jednalo se o takzvaný voltaický oblouk. Čest objevit voltaický oblouk tedy patří V.V. Petrov, jak vyplývá z jeho knihy „News of Galvani-Volta Experiments“, vydané v roce 1803.

Petrov ve své knize nejen popsal jev, který objevil, ale také poukázal na možnost využití tohoto jevu pro osvětlení, tavení a redukci kovů z jejich oxidů, a tím poprvé vyjádřil myšlenku tzv. praktické využití elektrického proudu. Elektřina se však v té době ještě nestala oblastí praktických aplikací, a proto se ve výzkumu elektřiny v Rusku nepokračovalo.

V.V. Petrov popsal jev, který objevil takto: „Pokud se dva nebo tři uhlíky položí na skleněnou dlaždici nebo lavici se skleněnými nohami, které jsou schopné produkovat světelné jevy prostřednictvím kapaliny Galvani-Volta, a pokud pak s kovovými izolovanými vodítky spojenými s oběma póly obrovské baterie, přibližující je k sobě na vzdálenost jedné až tří čar, pak se mezi nimi objeví velmi jasné bílé světlo nebo plamen, od kterého se tyto uhlíky rychleji nebo pomaleji vznítí a z nichž může být temný mír. docela jasně osvětlené."

Od této chvíle musíme začít dějiny elektrotechniky jako samostatného technologického odvětví. Vzhledem k tomu, že Petrovova kniha vyšla v ruštině, mnoho zahraničních vědců se s jeho objevem nemohlo seznámit. Petrovův objev byl na deset let zapomenut a jméno V.V. Petrov, první člověk na světě, který se na elektřinu podíval z technického hlediska – z pohledu výhod, které by elektřina mohla lidem přinést, byl v té době v zahraničí zcela neznámý.

A teprve později, v roce 1810, tyto experimenty zopakoval anglický vědec Sir Humphry Davy, který byl oceněn velkým titulem objevitel elektrického oblouku a proslavil se tím, že jeho nejskvělejším „objevem“ byl jeho žák, velký Michael Faraday. Davy přivedl do kontaktu dva ostré uhlíky, které byly spojeny s póly baterie skládající se z 2000 článků (obr. 7.1). Vlivem enormního výdeje tepla se uhlíky rozžhavily do ruda. Když Davy oddělil jejich konce od sebe, proud se dál přenášel horkým vzduchem z jednoho uhlí na druhé a šířil oslepující světlo, nazývané Davyho světlo nebo voltaický oblouk. V tomto případě nebyl zdrojem světla samotný oblouk, ale do běla rozžhavené konce uhlíků (obr. 7.2). Protože uhlíky, mezi nimiž vzniká oblouk, postupně dohořívají (kladný je asi dvakrát rychlejší než záporný), bylo následně vynalezeno zařízení, které automaticky přibližovalo jedno uhlí k druhému, přičemž vzdálenost mezi nimi zůstala konstantní. čas.

Zařízení, které umožňuje udržovat víceméně konstantní hoření voltaického oblouku, sloužilo jako prototyp prvních elektrických světelných zdrojů neboli tzv. elektrických obloukových lamp.

První použití elektrického oblouku mimo laboratoř a učebnu bylo v roce 1845 v Pařížské opeře k reprodukci efektu vycházejícího slunce. Byl to naprostý úspěch!!!

Úplně první elektrické lampy, uhlíkové obloukové lampy, vytvořil Sir Humphry Davy v roce 1809. Dvě uhlíkové tyče byly připojeny ke svorkám obrovské baterie. V místě kontaktu se tyto tyče rozžhavily do běla. Když byly umístěny ve vzdálenosti asi 10 cm od sebe, zablikal mezi nimi oslnivý bílý oblouk světla. Praktické využití uhlíkových obloukových výbojek však bylo nalezeno mnohem později. První stálá lampa byla instalována v roce 1862 v Dungeness Lighthouse.

Pavel Nikolajevič Jabločkov (1847–1894) – ruský elektrotechnik, vynálezce a podnikatel. Po absolvování Nikolaevské inženýrské školy v roce 1866 byl poslán jako důstojník do kyjevské posádky, ale kvůli nemoci byl nucen rezignovat. Vynalezl (patentován v roce 1876) obloukovou lampu bez regulátoru - elektrickou svíčku ("Yablochkovova svíčka"), pracoval na vytvoření elektrických strojů a zdrojů chemického proudu.

První obloukový světelný zdroj navrhl v roce 1844 francouzský fyzik Jean Bernard Leon Foucault. Při vývoji konstrukcí obloukových lamp vyvstal úkol upravit vzdálenost mezi elektrodami. Nejjednodušší regulátory byly elektromagnetické – první elektroautomatická zařízení. Rozšířily se lampy s kombinovanými akčními regulátory (elektromagnetickými a mechanickými), například oblouková lampa ruského vynálezce A.I. Špakovskij. V roce 1856 byly tyto lampy poprvé úspěšně použity k osvětlení velkého prostoru před palácem Lefortovo při korunovačních oslavách v Moskvě. Bylo však nutné zlepšit konstrukci obloukových lamp tak, aby byly jednoduché a spolehlivé, dostupné široké spotřebě. Úspěšné řešení tohoto problému úzce souvisí s vynálezem P.N. Yablochkov "elektrická svíčka" - oblouková lampa bez regulátoru.

P.N. Yablochkov vynalezl originální elektrickou obloukovou lampu (obr. 7.3), ve které byly uhlíkové tyče umístěny nikoli proti sobě, ale paralelně, díky čemuž bylo mnohem spolehlivější udržovat konstantní vzdálenost mezi jejich konci. Uhlíkové tyče byly odděleny izolační vrstvou. Konce tyčí byly spojeny uhlíkovou deskou. Při průchodu proudu deska shořela a mezi konci uhlíkových tyčí se objevil elektrický oblouk. Při hoření uhlíků se izolační vrstva odpařila a světelný oblouk nezhasl. Vynález P.N. Yablochkov umožnil zařadit světelné zdroje do série do společného obvodu. Jedna elektrická svíčka mohla hořet asi 2 hodiny. Instalací několika svíček do speciální lucerny, vybavené vypínačem pro zapínání jiné svíčky místo spálené, bylo možné zajistit nepřerušované svícení po delší dobu. Yablochkov také zjistil, že pro napájení svíčky je lepší použít střídavý proud, v tomto případě byl s elektrodami stejného průměru získán zcela stabilní oblouk.

V roce 1876 získal Yablochkov patent na svůj vynález s názvem „Systém distribuce proudu pro elektrické osvětlení“. Jednoduchost a pohodlí svíček Yablochkov (nebo, jak se jim ve světě říkalo, „ruské světlo“), které nahradily drahé, složité a objemné obloukové lampy regulátory pro nepřetržitou konvergenci spalování uhlí, způsobily jejich širokou distribuci a brzy byly osvětleny na ulicích a náměstích Paříže, Londýna a Berlína, stejně jako Ameriky a dokonce i Asie.

"Z Paříže," napsal Jabločkov, "se elektrické osvětlení rozšířilo do celého světa a dosáhlo paláce perského šáha a paláce kambodžského krále." Pro ruského vynálezce to byl skutečný triumf. V roce 1877

Yablochkov obdržel další dva patenty na konstrukci elektrické svíčky a na systém distribuce proudu pomocí kondenzátorů. V dubnu 1879 v Petrohradě na schůzi Ruské technické společnosti Jabločkov podal zprávu o své nejnovější práci v oblasti elektrického osvětlení ao dva týdny později tam měl veřejnou přednášku na téma „O elektrickém osvětlení. “ Rok 1879 byl rokem Jabločkovových největších úspěchů a největší slávy.

Následně Kerting a Matthiesen v Lipsku vytvořili vylepšenou konstrukci obloukové lampy (obr. 7.4), která zajišťuje konstantní odpor galvanického oblouku. Seřizovací mechanismus se skládá z dvojité cívky a spojené s převodovým systémem b. Celý systém se může otáčet kolem pevné osy f a také se vlivem tahové síly jádra c vychylovat doprava a doleva. Pokud se při výskytu proudu uhlíky dostanou do kontaktu, pak výsledný silný proud aktivuje vychylovací systém, který oddělí uhlíky na přesně stanovenou vzdálenost. Jak uhlí hoří, elektrický oblouk se prodlužuje a vychylovací systém reaguje na měnící se proud a plynule zmenšuje vzdálenost mezi uhlíky. Plynulý pohyb uhlí zajišťuje přítomnost vzduchové brzdy l s protizávažím m z těžkých kovových plátů.

Vzhledem k vážným technickým problémům, které se objevily během provozu (přítomnost otevřeného oblouku, nutnost používat pouze střídavý elektrický proud pro dosažení rovnoměrného spalování uhlíkových tyčí, složitost mechanické konstrukce atd.), jakož i kvůli s příchodem elektrických žárovek se použití elektrických svíček ukázalo jako velmi omezené. Zejména vážnou nevýhodou v konstrukci obloukových lamp bylo značné vypařování uhlíkových tyčí pod vlivem kyslíku ve volném vzduchu při vzniku elektrického oblouku.

Praktický Američan Jundus byl první, kdo tuto potíž překonal úžasnou jednoduchostí, když pod kapotu neumístil celou lampu, ale pouze galvanický oblouk, přičemž kontakty uhlíkových tyčí zůstaly mimo uzavřenou nádobu. Když dojde k oblouku, uhlíková pára, oxidovaná malým množstvím kyslíku dostupného v uzavřeném objemu, tvoří kyselinu uhličitou. Kyselina, mísící se s dusíkem ve vzduchu, vytváří neutrální atmosféru, ve které dochází k dalšímu spalování elektrického oblouku. Navíc se v tomto případě výrazně mění celý charakter spalovacího procesu. Uhelné tyče hoří naprosto stejně, samotné spalování je plynulejší a stabilnější a doba hoření se při stejné velikosti tyčí prodlužuje 10–20krát.

Na Obr. Obrázek 7.5 ukazuje vylepšenou Kertingovu lampu s uzavřeným obloukem, která byla rozšířena v Německu na konci 19. století.

S použitím obloukových lamp různého provedení byly provedeny první experimenty v pouličním osvětlení pomocí elektrického proudu (obr. 7.6, 7.7).

Kvůli velké složitosti konstrukce, potřebě výkonného zdroje proudu k vytvoření galvanického oblouku a nemožnosti flexibilního „rozdělení světla“ se však obloukové lampy používaly především jako výkonné zdroje osvětlení (například v moři majáky). Na Obr. Obrázek 7.8 ukazuje celkový pohled na takový mořský maják, jehož světlo z výkonných obloukových lamp bylo viditelné na vzdálenost 17 námořních mil.

Ultra-vysokotlaké obloukové lampy (UHPA) zahrnují lampy pracující při tlaku 10 × 10 5 Pa a vyšším. Při vysokých tlacích plynu nebo kovových par, v těsné blízkosti elektrod, jsou oblasti výboje v blízkosti katody a v blízkosti anody redukovány. Výboj je soustředěn v úzké vřetenovité oblasti mezi elektrodami a jeho jasnost zejména v blízkosti katody dosahuje velmi vysokých hodnot.

Takový obloukový výboj je nepostradatelným zdrojem světla pro projektory a světlomety, stejně jako pro řadu speciálních aplikací.

Použití par rtuti nebo inertního plynu v lampách jim dává řadu vlastností. Produkce rtuťových par při vhodném tlaku, jak je patrné z diskuse o vysokém tlaku v článku "", se dosahuje dávkováním rtuti do baňky lampy. Výboj se při okolní teplotě vznítí jako nízkotlaká rtuť. Poté, jak se lampa rozhoří a zahřeje, tlak se zvýší. Provozní tlak je určen ustálenou teplotou baňky, při které se elektrický výkon dodávaný do lampy rovná výkonu rozptýlenému v okolním prostoru sáláním a přenosem tepla. Prvním rysem ultravysokotlakých rtuťových výbojek je tedy to, že se poměrně snadno rozsvítí, ale mají poměrně dlouhou dobu hoření. Když zhasnou, lze opětovné zapálení provést zpravidla až po úplném ochlazení. Když jsou lampy naplněny inertními plyny, výboj po zapálení téměř okamžitě přejde do ustáleného stavu. Zapálení výboje v plynu při vysokém tlaku představuje určité potíže a vyžaduje použití speciálních zapalovacích zařízení. Po zhasnutí však lze lampu téměř okamžitě znovu rozsvítit.

Druhým znakem, který odlišuje ultravysokotlaký rtuťový výboj s krátkým obloukem od odpovídajících plynových výbojů, je jeho elektrický režim. Vzhledem k velkému rozdílu mezi potenciálními gradienty rtuti a inertních plynů při stejném tlaku je spalovací napětí takových lamp výrazně vyšší než při plnění plynem, díky čemuž je při stejných výkonech mnohem větší proud.

Třetím podstatným rozdílem je emisní spektrum, které u plynových výbojek odpovídá spektrálním složením dennímu světlu.

Uvedené vlastnosti vedly k tomu, že obloukové lampy se často používají pro filmování a promítání filmů, v simulátorech slunečního záření a v dalších případech, kde je vyžadováno správné podání barev.

Uspořádání lampy

Kulovitý tvar baňky lampy byl zvolen tak, aby byla zajištěna vysoká mechanická pevnost při vysokých tlacích a malých vzdálenostech mezi elektrodami (obrázek 1 a 2). Kulovitá baňka z křemenného skla má dvě diametrálně umístěné dlouhé válcové nohy, ve kterých jsou utěsněny přívody připojené k elektrodám. Dlouhá délka nohy je nezbytná pro odstranění olova z horké baňky a její ochranu před oxidací. Některé typy rtuťových výbojek mají přídavnou zapalovací elektrodu ve formě wolframového drátu připájeného do žárovky.

Obrázek 1. Celkový pohled na ultravysokotlaké rtuťové křemenné výbojky s krátkým obloukem různých výkonů, W:
A - 50; b - 100; PROTI - 250; G - 500; d - 1000

Obrázek 2. Celkový pohled na xenonové kuličkové výbojky:
A- DC lampa o výkonu 100 - 200 kW; b- AC lampa o výkonu 1 kW; PROTI- AC lampa o výkonu 2 kW; G- DC lampa 1 kW

Konstrukce elektrod se liší v závislosti na typu proudu, který napájí lampu. Při provozu na střídavý proud, pro který jsou určeny rtuťové výbojky, mají obě elektrody stejnou konstrukci (obrázek 3). Od elektrod trubicových výbojek o stejném výkonu se liší tím, že jsou masivnější, kvůli nutnosti snížit jejich teplotu.

Obrázek 3. Střídavé rtuťové výbojky s krátkým obloukem:
A- pro žárovky s výkonem do 1 kW; b- pro lampy s výkonem do 10 kW; PROTI- pevná elektroda pro vysoce výkonné lampy; 1 - jádro z wolframu; 2 - krycí spirála z wolframového drátu; 3 - oxidová pasta; 4 - pohlcovač plynu; 5 - základ ze slinutého wolframového prášku s přídavkem oxidu thoria; 6 - kovaná wolframová část

Při provozu lamp na stejnosměrný proud je důležitá poloha svícení lampy, která by měla být pouze svislá - anoda nahoru u plynových lamp a nejlépe anoda dolů pro rtuťové lampy. Umístění anody ve spodní části snižuje stabilitu oblouku, což je důležité z důvodu protiproudu elektronů směřujících dolů a horkých plynů stoupajících nahoru. Horní poloha anody ji nutí zvětšit její velikost, protože kromě jejího zahřívání v důsledku většího výkonu rozptýleného na anodě je navíc zahřívána proudem horkých plynů. U rtuťových výbojek je anoda umístěna dole, aby se zajistilo rovnoměrnější zahřívání a tím se zkrátila doba vyhoření.

Vzhledem k malé vzdálenosti mezi elektrodami mohou rtuťové kuličkové výbojky pracovat na střídavý proud ze síťového napětí 127 nebo 220 V. Provozní tlak rtuťových par je ve výbojkách o výkonu 50 - 500 W, resp (80 - 30 ) × 10 5 a ve výbojkách o výkonu 1 - 3 kW - (20 - 10) × 10 5 Pa.

Ultravysokotlaké výbojky s kulovou baňkou jsou nejčastěji plněny xenonem kvůli pohodlí jeho dávkování. Vzdálenost mezi elektrodami je u většiny žárovek 3 - 6 mm. Tlak xenonu ve studené výbojce (1 - 5) × 10 5 Pa pro výbojky s výkonem od 50 W do 10 kW. Takové tlaky způsobují, že ultravysokotlaké výbojky jsou výbušné, i když se nepoužívají, a vyžadují použití speciálních obalů pro jejich skladování. Díky silné konvekci mohou lampy pracovat pouze ve vertikální poloze, bez ohledu na typ proudu.

Emise z lamp

Vysoká svítivost rtuťových kulových výbojek s krátkým obloukem je dosažena zvýšením proudu a stabilizací výboje na elektrodách, což zabraňuje expanzi výbojového kanálu. V závislosti na teplotě pracovní části elektrod a jejich konstrukci lze získat různá rozložení jasu. Když teplota elektrod není dostatečná k zajištění proudu oblouku v důsledku termionické emise, oblouk se na elektrodách smrští do jasných světelných bodů malé velikosti a získá vřetenovitý tvar. Jas v blízkosti elektrod dosahuje 1000 mcd/m² nebo více. Malá velikost těchto oblastí znamená, že jejich role v celkovém toku záření výbojek je nevýznamná.

Při kontrakci výboje v blízkosti elektrod se jas zvyšuje s rostoucím tlakem a proudem (výkonem) a se zmenšující se vzdáleností mezi elektrodami.

Pokud teplota pracovní části elektrod zajišťuje, že obloukový proud je generován v důsledku termionické emise, pak se zdá, že se výboj šíří po povrchu elektrod. V tomto případě je jas rovnoměrněji distribuován podél výboje a stále roste s rostoucím proudem a tlakem. Poloměr výbojového kanálu závisí na tvaru a provedení pracovní části elektrod a je téměř nezávislý na vzdálenosti mezi nimi.

Světelná účinnost žárovek roste s jejich měrným výkonem. Při vřetenovitém výboji má světelný výkon maximum v určité vzdálenosti mezi elektrodami.

Záření ze rtuťových kulových výbojek typu DRSh má čárové spektrum se silně výrazným spojitým pozadím. Linky jsou značně rozšířené. Neexistují záření s vlnovými délkami kratšími než 280 - 290 nm a vzhledem k pozadí je podíl červeného záření 4 - 7%.

Obrázek 4. Distribuce jasu podél ( 1 ) a napříč ( 2 ) osa výboje xenonových výbojek

Výbojová šňůra sférických xenonových stejnosměrných výbojek má při provozu ve svislé poloze s anodou nahoru tvar kužele, spočívajícího špičkou na špičce katody a rozšiřující se nahoru. V blízkosti katody se vytvoří malá katodová skvrna velmi vysoké jasnosti. Rozložení jasu ve výbojové šňůře zůstává stejné, když se hustota výbojového proudu mění ve velmi širokém rozsahu, což umožňuje sestavit rovnoměrné křivky rozložení jasu podél a napříč výbojem (obrázek 4). Jas je přímo úměrný výkonu na jednotku délky obloukového výboje. Poměr světelného toku a svítivosti v daném směru k délce oblouku je úměrný poměru výkonu ke stejné délce.

Emisní spektrum ultravysokotlakých kulových xenonových výbojek se jen málo liší od emisního spektra.

Výkonné xenonové výbojky mají rostoucí charakteristiku proud-napětí. Sklon charakteristiky se zvyšuje s rostoucí vzdáleností mezi elektrodami a tlakem. Pokles potenciálu anoda-katoda u xenonových výbojek s krátkým obloukem je 9 - 10 V, u katody 7 - 8 V.

Moderní ultravysokotlaké kuličkové výbojky se vyrábějí v různých provedeních, včetně skládacích elektrod a vodního chlazení. Byl vyvinut design speciální kovové skládací lampy-svítidla typu DKsRM55000 a řady dalších zdrojů používaných ve speciálních instalacích.

Transformátory - transformace střídavého proudu

Střídavý proud se příznivě liší od stejnosměrného proudu tím, že se dobře hodí k transformaci, tzn. převod relativně vysokého napětí na proud nižšího napětí nebo naopak. Transformátory umožňují přenášet střídavý proud vodiči na velké vzdálenosti s nízkými energetickými ztrátami. K tomu je střídavé napětí generované generátory v elektrárnách pomocí transformátorů zvýšeno na napětí několika set tisíc voltů a „posláno“ podél elektrického vedení (elektrického vedení) v různých směrech. S rostoucím napětím klesá proud v přenosovém vedení při stejném přenášeném výkonu, což vede ke snížení ztrát a umožňuje použití vodičů menšího průřezu. Ve městech a vesnicích ve vzdálenosti stovek a tisíců kilometrů od elektráren je toto napětí redukováno transformátory na nižší, které napájí žárovky, elektromotory a další elektrospotřebiče. Transformátory jsou široce používány v radiotechnice . Schématická struktura nejjednoduššího transformátoru je znázorněna na (obr. 5). Skládá se ze dvou cívek izolovaného drátu, nazývaných vinutí, namontovaných na magnetickém obvodu sestaveném ze speciálních desek, t. zv. transformátorová ocel . Vinutí transformátoru jsou ve schématech znázorněna stejným způsobem jako induktory a magnetický obvod - čára mezi nimi . Činnost transformátoru je založena na jevu elektromagnetické indukce. Střídavý proud protékající jedním z vinutí transformátoru vytváří kolem něj a v magnetickém obvodu střídavé magnetické pole. Toto pole protíná závity druhého vinutí transformátoru a indukuje v něm střídavé napětí stejné frekvence. Pokud k tomuto vinutí připojíte jakoukoli zátěž, například žárovku, pak ve výsledném uzavřeném okruhu poteče střídavý proud - lampa začne hořet. Vinutí, do kterého je přiváděno střídavé napětí určené k transformaci, se nazývá primární a vinutí, ve kterém se střídavé napětí indukuje, se nazývá sekundární. .

Napětí, které se získá na koncích sekundárního vinutí, závisí na poměru počtu závitů ve vinutí. Při stejném počtu závitů je napětí na sekundárním vinutí přibližně stejné jako napětí dodávané do primárního vinutí. Pokud sekundární vinutí transformátoru obsahuje méně závitů než primární, pak je jeho napětí menší než napětí dodávané do primárního vinutí. Naopak, pokud sekundární vinutí obsahuje více závitů než primární, pak napětí v něm vyvinuté bude větší než napětí dodávané do primárního vinutí. V prvním případě transformátor sníží, ve druhém zvýší střídavé napětí. Napětí indukované v sekundárním vinutí lze poměrně přesně vypočítat poměrem počtu závitů vinutí transformátoru: kolikrát má větší (nebo menší) počet závitů ve srovnání s počtem závitů primárního vinutí, kolikrát bude napětí na něm větší (nebo menší) ve srovnání s napětím dodávaným do primárního vinutí. Pokud má tedy například jedno vinutí transformátoru 1000 závitů a druhé 2000 závitů, pak připojením prvního vinutí do sítě střídavého proudu o napětí 220 V získáme napětí 440 V ve druhém vinutí - jedná se o zvyšovací transformátor. Pokud je na vinutí obsahující 2000 závitů přivedeno napětí 220 V, pak ve vinutí obsahujícím 1000 závitů dostaneme napětí 220 V - jedná se o snižující transformátor. Vinutí s 2000 závity bude v prvním případě sekundární a ve druhém případě primární. Při použití transformátoru ale nesmíte zapomenout, že aktuální výkon (P = UI), který lze získat v obvodu sekundárního vinutí, nikdy nepřekročí aktuální výkon primárního vinutí. To znamená, že stejný výkon ze sekundárního vinutí získáte zvýšením napětí a snížením proudu, nebo z něj odebíráte snížené napětí zvýšeným proudem. Zvyšováním napětí tedy ztrácíme hodnotu proudu a získáváním hodnoty proudu určitě ztrácíme na napětí. Pro napájení rádiových zařízení ze sítě střídavého proudu se často používají transformátory s několika sekundárními vinutími s různým počtem závitů (obr. 6).

Pomocí takových transformátorů, nazývaných síťové nebo výkonové transformátory, se získá několik napětí, která napájejí různé obvody. Maximální proudový výkon, který lze transformovat, závisí na velikosti magnetického jádra transformátoru a průměru drátu, ze kterého jsou vyrobena vinutí. Čím větší je objem magnetického obvodu, tím větší výkon lze transformovat. V praxi se v transformátoru vždy zbytečně ztrácí nějaký výkon. Proto je výkon v obvodu sekundárního vinutí (nebo součet výkonů přijatých ze všech sekundárních vinutí) vždy o něco menší než výkon spotřebovaný primárním vinutím. Musíte si pamatovat: transformátory netransformují stejnosměrný proud. . Pokud však v primárním vinutí transformátoru protéká pulzující proud, bude se v sekundárním vinutí indukovat střídavé napětí, jehož frekvence je rovna frekvenci zvlnění proudu v primárním vinutí. Této vlastnosti transformátoru se využívá pro indukční vazbu mezi různými obvody, rozdělující pulzující proud na jeho složky a řadu dalších účelů, o kterých bude řeč později. Všechny transformátory s ocelovými magnetickými jádry a magnetickými jádry z slitiny železa a niklu (permalloy) se nazývají nízkofrekvenční transformátory , protože jsou vhodné pouze pro přeměnu střídavého napětí v oblasti nízkých frekvencí. Nízkofrekvenční transformátory jsou ve schématech označeny písmenem T a jejich vinutí římskými číslicemi. Princip činnosti vysokofrekvenčních transformátorů, určených k transformaci vysokofrekvenčních kmitů, je také založen na elektromagnetické indukci . Mohou být buď s jádry nebo bez nich. Jejich vinutí (cívky) jsou umístěny na stejných nebo různých rámech, ale vždy blízko u sebe (obr. 7). Když se v jedné z cívek objeví vysokofrekvenční proud, objeví se kolem ní střídavé magnetické pole, které indukuje napětí o stejné frekvenci v druhé cívce. Stejně jako u nízkofrekvenčních transformátorů závisí napětí v sekundární cívce na poměru počtu závitů v cívkách.

Pro zpevnění spojení mezi cívkami u vysokofrekvenčních transformátorů se používají jádra ve formě tyčí nebo kroužků (obr. 8), která jsou stlačenou hmotou z nekovových materiálů. Říká se jim magnetodielektrická nebo vysokofrekvenční jádra. Nejběžnější jsou feritová jádra. Feritové jádro nejen zesiluje vazbu mezi cívkami, ale také zvyšuje jejich indukčnost, takže mohou mít méně závitů ve srovnání s cívkami transformátoru bez jádra. Magnetodielektrické jádro vysokofrekvenčního transformátoru, bez ohledu na jeho konstrukci a tvar, je na schématech označeno stejným způsobem jako magnetické jádro nízkofrekvenčního transformátoru - přímka mezi cívkami a vinutími, jako např. induktory, jsou označeny latinskými písmeny (L).

Hlavní technickou výhodou střídavého proudu oproti stejnosměrnému je to, že velikost a napětí střídavého proudu lze převádět (transformovat) v nejširším rozsahu bez výrazných ztrát výkonu. Aby se snížilo zbytečné zahřívání vodičů, je prostřednictvím elektrického vedení přiváděn snížený proud a napětí zvýšené na stovky tisíc voltů a v místech spotřeby se napětí snižuje tisíckrát s odpovídajícím zvýšením hodnoty proudu; tím se dosáhne milionkrát snížení ztrát v přenosových vedeních, protože uvolňování tepla je úměrné druhé mocnině proudu. Navíc dodatečná transformace proudu v různých zařízeních, která používají proud, vám vždy umožní mít proud nejvhodnějšího napětí a požadované velikosti.

Transformátor (obr. 354) se v podstatě skládá ze dvou cívek navinutých na společném železném jádru. Jedna z těchto cívek, obvykle nazývaná primární, je připojena k vedení napájenému alternátorem. Zařízení, které spotřebovává elektřinu, ať už jsou to elektromotory, žárovky atd., je připojeno k sekundárnímu vinutí transformátoru.

I. Představme si, že sekundární vinutí transformátoru je otevřené, tedy transformátor není zatížen. Primární vinutí pak nebude nic jiného než jednoduchá indukční cívka s železným jádrem.

V jádře obdržíme sinusově se měnící magnetický tok a transformátor bude spotřebovávat jalový proud ze sítě, která zpožďuje napětí

Rýže. 354. Obvod transformátoru

Jaká bude elektromotorická síla na sekundárním vinutí transformátoru?

Jeho amplituda a fáze jsou určeny zákonem elektromagnetické indukce. Protože primární a sekundární vinutí jsou spojeny společným magnetickým tokem, zvolíme tento tok jako hlavní veličinu. Předpokládejme, že magnetický tok v jádře se mění podle zákona

Pak v primárním i sekundárním vinutí získáme elektromotorické síly úměrné rychlosti změny toku a počtu závitů vinutí:

Externí napětí dodávané do transformátoru - síťové napětí - musí v každém okamžiku vyrovnávat elektromotorickou sílu primárního vinutí, to znamená, že musí být stejné a opačného znaménka:

Vidíme, že elektromotorická síla sekundárního vinutí je ve fázi opačné než napětí sítě. Poměr jejich amplitud lze snadno získat:

Je zřejmé, že libovolný poměr mezi primárním a sekundárním napětím můžeme získat volbou požadovaného poměru počtu závitů, neboli, jak se obvykle říká, transformačního poměru.

Sestrojme (obr. 355) vektorové schéma transformátoru na volnoběh. Vektor síťového napětí a vektor sekundární elektromotorické síly jsou přímo proti sobě; přístup

jejich hodnoty jsou určeny transformačním koeficientem. Vektor magnetického toku a vektor reaktivního magnetizačního proudu I, který je s ním ve fázi, v primárním vinutí („proud naprázdno“) zaostávají za vektorem síťového napětí o Zatížení sekundárního vinutí připojením aktivního odporu na jeho konce. (obr. 356); v tomto případě v něm musí vzniknout proud, který je ve fázi se sekundární elektromotorickou silou. Tento sekundární proud vytvoří v jádře magnetický tok, který je ve fázi s proudem

Rýže. 355. Vektorový diagram transformátoru naprázdno.

Rýže. 356. Vektorový diagram pro zatížený transformátor.

Ale magnetický tok je zcela určen (ve velikosti a fázi) pro danou konstrukci transformátoru napětím vnější sítě:

a zatímco jeho hodnota zůstane nezměněna, nemůže se změnit.

Narušená rovnováha je obnovena primárním vinutím; každou chvíli v něm vzniká proud, který magnetizuje jádro v opačném směru, než jaký vytváří proud sekundárního vinutí. Tento proud v primárním vinutí je fázově opačný než sekundární, tj. je ve fázi se síťovým napětím, a proto je aktivním proudem.

Celkový proud primárního vinutí se nyní skládá z vždy přítomného jalového magnetizačního proudu a provozního aktivního proudu.

Vztah mezi amplitudami (nebo efektivními hodnotami) primárního a sekundárního aktivního proudu lze snadno zjistit z podmínky, že magnetomotorická síla vytvořená aktivním proudem primárního vinutí musí být co do velikosti rovna magnetomotorické síle vytvořené sekundárním vinutím. vinutí (ve směru, jak je uvedeno výše, ona je opačný). Jinými slovy, v každém okamžiku jsou ampérové ​​závity vinutí navzájem stejné:

Hodnoty proudu, jak vidíme, jsou nepřímo úměrné počtu závitů vinutí.

Výkon dodávaný sekundárním vinutím (pokud nepočítáme ohmické ztráty ve vinutích a ztráty vířivými proudy v jádře) se rovná výkonu, který transformátor odebírá ze sítě. Podle vzorců (25) a (26)

To by se dalo samozřejmě předpovědět na základě zákona zachování energie.

U zatíženého transformátoru (viz obr. 356) je fázový posun mezi síťovým napětím a celkovým proudem primárního vinutí menší, čím menší je jalový proud ve srovnání s aktivním, t.j. čím větší je indukčnost primárního vinutí. transformátoru. Významné zvýšení indukčnosti však v mnoha případech není ekonomicky výhodné, protože vyžaduje velké objemy železného jádra a velké náklady na měď pro výrobu vinutí. Proto mají transformátory malého výkonu a levného typu často špatné