Что может произойти если случайно подключить трансформатор к источнику постоянного тока
Обновлено: 01.05.2024
Что может произойти, если случайно подключить трансформатор к источнику постоянного тока?
Первичная обмотка сильно разогреется или перегорит, зависит от напряжения. Это примерно то же самое, что обмотку включить в сеть переменного тока без сердечника.
Остальные ответы
Нехрена не будет работать. Нагреется и сгорит. Т. К. он работает только от переменного тока.
Если надолго, то сгорит источник постоянного тока или первичная обмотка
Зависит от мощности трасформатора и мощности источника постоянного тока (ну и напряжения) .
И времени работы от постоянки.
Может ни чего и не произойти, если все слабое. Чуть нагреется.
А чем мощнее, тем хуже для обоих. И источника и трансформатора.
В крайнем случае сгорят оба. И еще хуже могут наделать пожар!
а какое напряжение подаёте на первичную? Если не переборщите, то ничего не сгорит.
даёте кому-нить подержаться за концы вторичной обмотки, подаёте на первичку постоянку, пациент ничего не чувствует, и отключаете источник от первички - пациент на момент размыкания первичной цепи будет в восторге)))
Лучше сварочный трансформатор подключи к своей сети (в розетку) будет экономия электроэнергии, щётчик станет крутится в другую сторону. Смотри чтобы не поймали, не расплатишься.
В лучшем случае получится электромагнит! Правда если трансформатор достаточно мощный. В худшем- сгорит или обмотка транса или источник питания.
Упр.5 Задание 4 ГДЗ Мякишев 11 класс (Физика)
Рассмотрим вариант решения задания из учебника Мякишев, Буховцев 11 класс, Просвещение:
4. Что может произойти, если случайно подключить трансформатор к источнику постоянного тока?
*Цитирирование задания со ссылкой на учебник производится исключительно в учебных целях для лучшего понимания разбора решения задания.
Похожие решебники
Мякишев, Буховцев
Рымкевич 10-11 класс
Популярные решебники 11 класс Все решебники
Мордкович, Семенов
Мордкович 10-11 класс
Мордкович, Семенов
Греков 10-11 класс
Греков, Крючков, Чешко
Власенков 10-11 класс
Власенков, Рыбченская
Enjoy English
Биболетова, Бабушис
Погорелов 10-11 класс
Упражнение 3:
Упражнение 4:
Упражнение 5:
Упражнение 6:
Упражнение 7:
Упражнение 8:
Главная задача сайта: помогать школьникам и родителям в решении домашнего задания. Кроме того, весь материал совершенствуется, добавляются новые сборники решений.
Что может произойти, если подключить случайно трансформатор к источнику ?
Что может произойти, если случайно подключить трансформатор к источнику постоянного тока? Подобное действие может произойти вследствие неопытности или усталости пользователя, но всегда сопровождается непоправимыми неприятностями для оборудования и производственного персонала.
СодержаниеНемного электрофизики
Если входная цепь трансформатора подключена к источнику постоянного тока, то создаваемый там магнитный поток является постоянным. Соответственно ЭДС индуцироваться не будет, поскольку для этого необходимо какое-либо относительное движение между потоком и проводником.
В случае подачи переменного тока его значение в первичной обмотке определяется как разность между напряжением питания и индуцированной ЭДС, отнесенная к сопротивлению входной катушки. Поскольку в данном случае параметр постоянен, то ток станет непрерывно увеличиваться до опасно высоких значений.
Важно! В описанных условиях источник закоротится.
Последствия
Что будет, если подключить трансформатор к источнику постоянного тока:
Итак, при описанном действии на выходе трансформатора напряжение отсутствует. А само устройство сгорит.
Как можно избежать аварии
Единственный вариант, при котором описанная ошибка не получит тяжелых последствий – установить автотрансформатор. Такой агрегат своевременно скорректирует фактические величины импульсов на входе и выходе или – при невозможности – отключит подачу мощности на вход.
Важно! При нагрузках более 50 кВА с целью соблюдения правил безопасности рекомендуется использовать мощные промышленные стабилизаторы напряжения на тиристорах или симисторах.
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'/ωL, где ωL - индуктивное сопротивление катушки. пусть U = U’, тогда
Это означает, что обмотки трансформатора, случайно подключенного к постоянному току, могут сгореть.
Упражнение 5
Решение упражнений к учебнику Г.Я.Мякишева, Б.Б.Буховцева
1. Как должны быть расположены изолированные друг от друга стальные пластины сердечника ротора индукционного генератора для уменьшения вихревых токов?
2. Обмотки трансформатора сделаны из провода разной толщины. Какая из обмоток содержит большее число витков?
3. Как определить число витков обмотки трансформатора, не разматывая катушку?
4. Что может произойти, если случайно подключить трансформатор к источнику постоянного тока?
5. Человеческий глаз может фиксировать изменение интенсивности излучения с частотой не более 20 Гц. По цепи лампы накаливания идет переменный ток. Почему мы видим постоянное, а не пульсирующее излучение лампы?
Как одним движением сжечь 10000$ и получить удар током
В данной статье затрагиваются вопросы, касающиеся сетевого напряжения, которое может представлять угрозу жизни и здоровью человека, а также работоспособности приборов. Вся информация в этой статье представлена исключительно в ознакомительных целях. Вы используете указанную информацию на свой страх и риск. Автор ни в коем случае не несет ответственности за какой-либо прямой, непрямой, особый или иной косвенный ущерб в результате любого использования информации из данной статьи.
Структура источника питания
В данном разделе, конечно, мы не будем подробно рассматривать устройство импульсных преобразователей, это тема для целой серии статей. Мы рассмотрим этот вопрос в минимальном объеме, необходимом для понимания темы статьи. Итак, на рисунке ниже приведена по сути структурная схема простейшего обратноходового преобразователя. Обратноходовый преобразователь здесь выбран исключительно для примера, совершенно не важно, какая топология источника питания (прямоходовый, мост, полумост, пуш-пул или вообще балластный конденсатор), все сказанное верно для любой из них.
В ней не показаны фильтры синфазных и дифференциальных помех, цепи защиты и некоторые другие компоненты, однако для рассмотрения нашего вопроса это и не нужно. На схеме мы видим диодный мост, к которому подводится сетевое напряжение, микросхему ШИМ-контроллера, объединенную с силовым транзистором, трансформатор и цепь обратной связи. Сетевое напряжение выпрямляется диодным мостом: плюс подводится к трансформатору и коммутируется силовым транзистором, а минус образует потенциал локальной (силовой) земли. Относительного этого потенциала питается ШИМ-контроллер, измеряется напряжение обратной связи, а также относительно него подаются управляющие напряжения на затворы силового транзистора (который в данной схеме находится внутри контроллера). Если мы хотим измерить какое-то напряжение на первичной стороне, это тоже надо делать относительного этого потенциала. В общем, классический такой GND, за исключение одного нюанса: он гальванически не развязан от сети (имеет прямую связь с фазой и нейтралью через пару диодов). И вот именно этот нюанс и является решающим, однако об этом позднее.
Структура осциллографа
В данном разделе будет рассмотрен вопрос, касающейся гальванической связи как между непосредственно самими каналами осциллографа, так и между каналами осциллографа и линией заземления. Существует два типа осциллографов: с изолированными каналами и без такой изоляции. Осциллографы с изолированными каналами – довольно редкий вид приборов, и этот факт будет обязательно подчеркнут в описании устройства. Если вы никогда не задумывались о том, есть ли у вашего осциллографа такая изоляция, то, скорее всего, ее нет. Что это значит на практике? Это значит, что сопротивление между земляным хвостом щупа осциллографа и земляным выводом в сетевой розетке 230 В близко к нулю. Для лучшего понимания, этот факт продемонстрирован на рисунке ниже.
На данном рисунке показано измерение сопротивление между земляным хвостом щупа осциллографа и земляным контактом шнура питания осицллографа. Как видим, величина сопротивления очень мала и составляет всего 2,18 Ома. В реальности она еще меньше, потому что здесь не учитывалось сопротивление самих щупов мультиметра, которое может быть более 1 Ома.
Итак, сделаем важный вывод: у осциллографа земляной хвост щупа соединен с земляным контактом розетки и через нее заземлен в электрическом щитке.
Структура бытовой сети 230 В
Наиболее полное описание структуры сети 230 В, конечно, лучше найти в какой-нибудь литературе по теории электрических цепей, прочитав раздел про трехфазные цепи. В рамках данной статьи будет представлена только очень маленькая часть этого курса, имеющая непосредственное отношение к нашей проблеме.
В обычную бытовую розетку приходит как правило 3 провода: фаза, нейтраль и заземление. В старых домах советской постройки третьего провода (заземления) может и не быть. Провод заземления в общем-то соответствует своему названию: в конечном итоге он переходит в шину (контур заземления), которая закапывается глубоко в землю где-нибудь под зданием или в непосредственной близости от него (разумеется, не просто абы как, а в соответствии с определенными правилами). Этот провод предназначен для защиты человека от возможного поражения электрическим током: в случае нештатной ситуации, например, попадания напряжения на корпус прибора, ток начинает идти по проводу заземления, что приводит к срабатыванию защитной автоматики и отключению напряжения.
Нейтраль по сути своей очень близка к заземлению. Если вы внимательно рассмотрите линию электропередач в сельской местности, то заметите, что нейтральный проводник заземляется на каждой опоре.
Кроме того, нейтральный проводник заземлен также и на подстанции (здесь есть свои нюансы, но в быту обычно это так, схемы с изолированной нейтралью мы не рассматриваем).
В идеальном мире сопротивление между проводом заземления и нейтралью в розетке равно нулю, и они имеют абсолютно одинаковый потенциал. В реальном мире сопротивление проводников вносит свои коррективы и между нейтралью и заземлением имеется сопротивление порядка единиц-десятков Ом. Запомним этот факт, он пригодится нам в дальнейшем.
Фазный проводник – это непосредственно сам «рабочий» проводник, который формирует синусоиду относительно нейтрали. Синусоида в бытовой розетке имеет амплитуду порядка 325 В и колеблется в плюс и в минус относительно нейтрального проводника. Таким образом, при положительной полуволне синусоиды ток течет из фазного проводника в нейтральный, а при отрицательной полуволне наоборот – ток течет из нейтрального проводника в фазный.
Что происходит при подключении осциллографа?
Итак, сведем в кучку выводы по предыдущим разделам статьи:
- В сетевом импульсном источнике питания цепь локальной (силовой) земли связана с нейтралью и фазой через диоды.
- У осциллографа земляной хвост щупа соединен внутри него с земляным контактом розетки.
- Сопротивление между нейтралью и заземлением в сети мало и составляет единицы-десятки Ом.
- При положительной полуволне синусоиды ток течет из фазного проводника в нейтральный, а при отрицательной полуволне – из нейтрального в фазный.
Для начала давайте посмотрим, как ведет себя схема без подключенного осциллографа. На рисунке ниже приведены результаты моделирования такой схемы (картинка кликабельна).
Сопротивление R1 в данном случае – это сопротивление нагрузки. Я выбрал его равным 100 кОм. Можно взять любое другое, в данном случае его величина не принципиальна. Сопротивление R2 – это сопротивление между нейтральным и проводником и заземлением. Я выбрал его равным 10 Ом. Амплитудное напряжение между фазой и нейтралью составляет 325 В, что соответствует действующему значению напряжения в 230 В, сигнал показан на зеленом графике.
Как видно из графиков тока, он нигде не превышает величины нескольких миллиампер и вся система чувствует себя хорошо.
А что будет, если подключить к такой цепи осциллограф? Результат показан на рисунке ниже (картинка кликабельна).
Как видим, в модель добавился резистор R3 с сопротивлением 2 Ома. Этот резистор соответствует сопротивлению между земляным хвостом щупа осциллографа и контактом заземления шнура питания осциллографа. Чуть выше мы проводили измерение этого параметра и получили величину равную порядка 2 Ом. Этот резистор подключен к локальной силовой земле PGND: именно к этой цепи вы скорее всего и подключите землю осциллографа, если захотите произвести измерения на первичной стороне источника питания. Но как же ведет себя при этом ток? А он вырастает до катастрофических величин. Величина тока в нашей модели составляет более 25 А! В данном случае ток ограничен величиной сопротивления между нейтралью и заземлением, внутренним сопротивлением диодного моста, а также величиной сопротивления всех проводов. И этот ток протекает, помимо всего прочего, через резистор R3, т.е. через щуп осциллографа и через его внутренние цепи. 25 А через внутренние цепи осциллографа гарантированно выжгут внутри все, что возможно, не факт даже, что уцелеет сама печатная плата. Таким образом, данная картинка весьма наглядно показывает, что будет с прибором, если вот так просто попытаться измерить сигналы на не отвязанном от сети источнике.
Если чуть проанализировать результаты выше, то становится понятным, что смертельным для осциллографа оказывается отрицательная полуволна синусоиды в розетке. Отрицательная полуволна создает в точке между диодами D1 и D3 отрицательный потенциал. К точке PGND оказывается приложен нулевой потенциал (GND) через хвост щупа осциллографа, который соединен внутри него с землей розетки. Таким образом, у нас образуется разность потенциалов, причем диод D1 оказывается включенным в прямой полярности, что и приводит к резкому росту тока. Все вышесказанное наглядно проиллюстрировано на рисунке ниже.
А как же УЗО?
Действительно, при подключении земляного хвоста осциллографа к локальной (силовой) земле на стороне сетевого напряжения возникает дисбаланс токов и это должно отрабатываться УЗО. Возможно, оно и спасет цепи осциллографа от полного выгорания, однако, увы, УЗО срабатывает отнюдь не мгновенно, время его реакции составляет десятки миллисекунд. За это время вполне успеет проскочить хотя бы одна полуволна синусоиды сетевого напряжения, которая если не выжжет прибор совсем, скорее всего, все равно повредит чувствительные входные цепи осциллографа. Кроме того, в электрическом щитке УЗО присутствует далеко не всегда. Поэтому, не смотря на то, что УЗО, безусловно, полезный компонент электропроводки, в данном случае неразумно полагаться на защиту прибора с его помощью. Но как же быть, если все-таки необходимо посмотреть какие-то сигналы у прибора, работающего от сети 230 В? На самом деле, есть несколько способов, как это можно сделать относительно безопасно, об этом в следующем разделе
Как посмотреть сигналы на стороне сетевого напряжения и не спалить приборы?
1. Использовать осциллограф с гальванически развязанными каналами
У осциллографа с гальванически развязанными каналами все каналы имеют изоляцию как друг относительно друга, так и относительно земли. Таким образом, при подключении прибора к схеме, у нас не будет образовано контура, через который может произойти короткое замыкание и выгорание схемы. Однако будьте все равно предельно внимательны, даже если у вас осциллограф с развязанными каналами. Внимательно изучите документацию на свой прибор и обратите внимание на конкретные цифры по максимально допустимому напряжению относительно земли. Если вы будете анализировать сигналы на стороне сетевого напряжения, то, скорее всего, вам понадобятся специальные высоковольтные щупы, которые позволяют проводить измерения под большим потенциалом. Использование осциллографа с развязанными каналами имеет один большой недостаток – цена. Такие осциллографы заметно дороже осциллографов с аналогичными характеристиками, земли каналов которых соединены на общем шасси. Кроме того, модельный ряд таких осциллографов довольно-таки скудный, по сравнению с классическими осциллографами, конечно же. В общем, если у вас есть осциллограф с изолированными каналами и вы умеете с ним работать, скорее всего, вы мало что нового узнали из этой статьи.
2. Использовать дифференциальный пробник
Если у вас нет осциллографа с гальванически развязанными каналами, но есть обычный, то можно развязать какой-либо его канал с использованием специального устройства, которое называется дифференциальный пробник. Пример такого устройства приведен на рисунке ниже.
С помощью данного устройства возможно относительно безопасно смотреть сигналы на стороне сетевого напряжения. Существует достаточно большое число видов подобных устройств на разные входные напряжения и частот с разными коэффициентами деления входного напряжения. Как правило это активные устройства, требующие дополнительного питания, например, устройство с рисунка выше требует адаптер 9 В. Цена подобных устройств обычно тоже не очень демократична и составляет десятки, а иногда и сотни тысяч рублей (по курсу на момент написания статьи).
3. Использовать развязывающий трансформатор
Вполне рабочий способ защитить осциллограф и посмотреть при этом сигналы на стороне сетевого напряжения – использование развязывающего трансформатора с коэффициентом трансформации 1:1 (т.е. величина напряжения на выходе трансформатора равна величине напряжения на его входе). Через такой трансформатор необходимо подключить объект исследования (например, все тот же анализируемый нами источник питания). Поясняющий рисунок с результатами моделирования приведен ниже (картинка кликабельна).
Как видим, не смотря на то, что к схеме точно таким же образом подключен заземленный хвост щупа осциллографа, на графиках тока нет никаких запредельных величин. Ток через внутренности осциллографа (через сопротивление R3) равен нулю, а амплитуда тока источника питания и нагрузки составляет несколько миллиампер, как было у нас при не подключенном осциллографе. Это происходит потому, что теперь у нас земля PGND гальванически развязана от сетевого напряжения. Однако это вовсе не значит, что теперь все безопасно для человека: на выходе трансформатора по-прежнему 230 В действующего напряжения, которые могут представлять смертельную опасность.
При использовании развязывающего трансформатора помимо коэффициента трансформации необходимо также обязательно посмотреть на такой параметр, как максимально допустимая мощность. Очевидно, что потребляемая вашей нагрузкой мощность не должна превышать максимально допустимую мощность, на которую рассчитан трансформатор. Таким образом, этот способ вряд ли подойдет для анализа установок на несколько киловатт: габариты и масса требуемого трансформатора будут слишком велики.
4. Использовать лабораторный источник питания
Если ваш объект исследования – импульсный источник питания, то безопасно посмотреть его первичные цепи можно запитав его не от сети 230 В, а через лабораторный источник питания постоянного тока. Внутри такого источника питания всегда стоит трансформатор, таким образом достигается гальваническая развязка, и осциллограф можно безбоязненно подключать к анализируемой схеме. Поскольку на входе импульсного источника питания стоит выпрямитель, то для его работы нет большой разницы, подадите вы на вход синусоиду или же постоянное напряжение. Разумеется, величина этого постоянного напряжения должна соответствовать выпрямленному сетевому напряжению с каким-либо допуском. На прошлой работе в качестве такого источника питания мы использовали источник Б5-50, он изображен на рисунке ниже.
Он выглядит не очень современно, однако умеет выдавать на выходе напряжение до 300 В и неплохо подходит для отладки схем мощностью до пары сотен ватт.
Дополнительный очень жирный плюс использования лабораторного источника питания при отладке – вы можете выставить на источнике питания необходимое ограничение по току. Таким образом, даже если схема неисправна, у вас не будет громкого ба-баха и с большой долей вероятности ничего не сгорит. Такой подход несравнимо лучше всем известного включения схемы через лампочку накаливания. Единственное о чем стоит помнить – мощность лабораторного источника питания должна быть достаточной для организации питания исследуемой схемы.
5. Использовать розетку без заземления
Внимание! Данный способ относится к категории опасных, поэтому я не могу рекомендовать использовать его. Однако все-таки для полноты картины я должен про него рассказать, хотя бы для того, чтобы сообщить о возможных опасностях. Более того, бывает, что зачастую он оказывается единственным возможным способом посмотреть сигнал на стороне сетевого напряжения без привлечения какого-либо специального оборудования типа развязывающего трансформатора или осциллографа с изолированными каналами. Данный способ заключается в том, что осциллограф включается в розетку без клеммы заземления (см. рисунок ниже).
Таким образом разрушается контур протекания тока, однако это приводит к одной большой проблеме. Теперь земля осциллографа оказывается под смертельно опасным потенциалом. Это значит, что опасное для жизни напряжение будет присутствовать на всех BNC-разъемах осциллографа, на земляных хвостах всех подключенных щупов, а также, возможно, и на корпусах всех других приборов, включенных в ту же розетку (в случае, если в розетке все же есть контакты заземления, но к ней не подведен заземляющий провод). И если теперь одной рукой просто задеть коаксиальный разъем на корпусе осциллографа, а другой при этом, условно, схватиться за батарею… в общем, вы понимаете. Совершенно недопустимо использовать этот способ, если у вас осциллограф в металлическом корпусе. Если все-таки используете этот способ, то отключите все лишние щупы, а также другие провода (USB, RS-232 и др.), убедитесь, что в розетку включен только один осциллограф, выполните все подключения, настройте заранее все крутилки на осциллографе, убедитесь, что не заденете случайно BNC разъемы и только потом подавайте сетевое напряжение.
Тем не менее, при соблюдении всех мер предосторожностей, этот способ в целом рабочий. Под спойлером ниже приведена осциллограмма напряжения из розетки, снятая мной еще в студенческие годы как раз с использованием этого самого способа. Поскольку сетевое напряжение имеет размах, превышающий количество клеток на экране осицллографа, измерение происходило через резистивный делитель напряжения 1:5.
Напряжение в розетке
6. Использовать осциллограф с питанием от аккумуляторной батареи
Некоторые осциллографы могут работать от встроенных аккумуляторных батарей. Сетевой шнур при этом не подключается, соответственно, осциллограф оказывается не заземленным. По сути этот способ является полным аналогом предыдущего, только вместо розетки без заземления используется питание осциллографа от встроенной батареи. Этот способ абсолютно точно также опасен, как и предыдущий: на всех разъемах осциллографа будет присутствовать все тот же смертельно опасный потенциал, поэтому все меры безопасности, описанные в предыдущем пункте статьи, в равной степени справедливы и для этого способа.
7. Запитать управляющие микросхемы низким напряжением от лабораторного источника
Иногда бывают ситуации, когда для отладки не обязательно наличие высокого сетевого напряжения. В таком случае лучше просто запитать управляющие цепи с помощью низковольного лабораторного источника питания. Величина требуемого напряжения всегда прописана в документации на конкретные микросхемы (например, в случае исследования ШИМ-контроллера оно обычно не превышает 20 В). Сетевое напряжение 230 В при этом, само собой, не подается, поэтому можно абсолютно безопасно исследовать осциллографом импульсы на выходе контроллера, работу осциллятора, величину опорных напряжений и другие критические сигналы. Конечно, без наличия сетевого напряжения все проверить не получиться, но откровенно мертвый контроллер без проблем можно продиагностировать.
Общие рекомендации по работе с сетевым напряжением
1. При работе с сетевым напряжением всегда соблюдайте технику безопасности
Да, сто раз про это везде уже писали, но, тем не менее, почему-то часто то, как делать не надо, выясняется только на своей шкуре своем опыте. Не стоит лезть в приборы под напряжением во время работы, лучше выполните все подключения до включения питания. Не забывайте про накопительные конденсаторы: на их разряд нужно некоторое время, которое может стремиться к бесконечности (условно, конечно же), если разработчик не поставил разрядных резисторов.
2. Изучите инструкцию на ваш прибор
Конечно, жизнь слишком коротка, чтобы читать инструкции, поэтому их обычно открывают только когда что-то не работает или сломано. Но если вы работаете с сетевым напряжением, все-таки стоит заранее посмотреть, а какие, собственно, предельные цифры у вашего прибора. Небрежность в этом вопросе может стоить очень дорого.
3. Используйте недорогие приборы
Если вы исследуете сетевое напряжение, то отложите в сторону ваш крутой Tectronix DPO 7254 ценою в несколько миллионов и возьмите какой-нибудь Наntек DSO 5102 за пару десятков тысяч рублей. На стороне сетевого напряжения вам не нужны гигасемплы и крутая математика, зато если что-то пойдет не так, ошибка не будет стоить настолько дорого.
4. По возможности всегда работайте с гальванической развязкой от сети
Из-за несоблюдения этого правила в этом мире погорело уже куча электроники. В моей практике был случай, который стоил мне ноутбука и JTAG-отладчика. Я проводил отладку одного устройства и вроде бы ничего не предвещало беды. Устройство имело металлический корпус и на корпусе была установлена неоновая лампочка, которая светилась от сети 230 В. Корпус, естественно, был заземлен. Сама плата с микроконтроллером была запитана от отдельного изолированного источника питания. И в один прекрасный момент эта лампочка пробилась на корпус устройства. В этот момент к плате был подключен JTAG-отладчик, который был воткнут в ноутбук. Ноутбук же в свою очередь был включен в розетку с заземлением. Таким образом, ток пошел по цепочке «неоновая лампочка – корпус – плата – JTAG-отладчик – ноутбук – источник питания ноутбука – заземление». Разумеется, ноутбук и программатор при этом выгорели без возможности восстановления. Этого можно было бы избежать, если бы применялся JTAG-отладчик с гальванической развязкой. Ну и использовать топовый MacBook Pro в качестве рабочей машины при отладке силовой электроники, конечно же, тоже не стоит (см. предыдущий пункт).
Что может произойти, если случайно подключить трансформатор к источнику постоянного тока?
Если случайно подключить трансформатор к источнику постоянного тока, то напряжение на вторичной обмотке появится только в момент подключения и отключения тока, так как напряжение изменяется только в это время.
Люсси
22.04.2021 оставил(а) комментарий:
Количество выделяемого тепла при подключении к источнику постоянного тока гораздо больше, и поэтому трансформатор может сгореть.
Тамми
22.04.2021 оставил(а) комментарий:
Обмотки трансформатора, случайно подключенного к постоянному току, могут сгореть.
А напряжение на вторичной обмотке появится только в момент подключения и отключения тока.
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.
Читайте также: