Необхідність заземлення корпусу радіопередавача безпосередньо в землю при роботі на несиметричну антену обумовлена не тільки захистом від статичної електрики і імпульсних перенапруг при грозових розрядах, а й необхідністю замикання ВЧ струмів при порушенні електромагнітного поля між антеною та землею. Однак, через напругу між «непов'язаними землями» виникає небезпека виходу з ладу апаратури і ураження людей електричним струмом. Іншими словами, провід «нуля» і «захисного заземлення» в електричній розетці майже завжди має досить великий змінний потенціал щодо реального заземлення - тобто, щодо електрода, вбитого в землю у точки харчування антени. Через різницю потенціалів «незв'язаних земель» виникає фон змінного струму в ефірних студіях, «фонують» в ефірі і радіомовні передавачі. Спроба «незв'язані землі» зв'язати, в ряді випадків призводить до спрацьовування ПЗВ (пристрої захисного відключення), а в деяких, - до розігрівання і навіть перегорання замикає перемички, оскільки через неї починає текти різницевий струм асиметрії навантажень фаз всього будинку. Вірне рішення відомо давно - розв'язує трансформатор.
Потужність такого трансформатора повинна бути достатньою для живлення апаратури студії і радіопередавача [2]. При бюджетної студії і вихідної потужності передавача 100 - 150 Вт (споживана потужність близько 200 - 300 Вт), цілком достатньо потужності розв'язує трансформатора 500 Вт. Струм холостого ходу такого трансформатора повинен бути мінімальний, а ККД треба зробити якомога ближче до 100%, оскільки трансформатор буде працювати, не виключаючи, тривалий час. Реально досяжне значення ККД для 500-ватного тороїдального трансформатора - 97%. Ці вимоги можна дотримати, використовуючи кільцевої магнітопровід з холоднокатаної трансформаторної сталі, що працює при магнітної індукції не більше 1,2 Тесла (Наприклад, трансформатори ТА, ТАН, ТН, ТПП розраховані працювати при індукції 1,6 Тесла. Тому і гріються.) І при щільності струму в обмотках j не більше 2,8 А / мм 2. у цьому випадку трансформатор виходить «жорсткий», з майже нульовою осіданням напруги під навантаженням.
Розрахункові формули для діаметра дроту при різних щільності струму:
Оскільки мінімальне нормоване напруга електромережі може бути 220 - 10% = 198 вольт (що відповідає максимальному споживаному струму при номінальній потужності), то при потужності трансформатора 500 Вт, струм обмотки складе 500/198 = 2,53 А. Відповідно, діаметр дроту: d = 0,0213 √2530 = 1,056 мм. Вибираємо стандартне проведення ПЕТВ-2-1,06 [3].
Давайте такий трансформатор спроектируем і самостійно намотаємо. Трансформатор повинен забезпечити нормальну роботу навантаження вторинного ланцюга при напрузі мережі живлення починаючи від 198 вольт (220 - 10% = 198) і до 253-х (230 + 10% = 253).
З урахуванням вищесказаного, розрахункові значення напруг первинної обмотки: 200; 210; 220; 230; 240; 250 вольт. Вторинну обмотку «попросимо» забезпечити нам рідні «російські» 220 вольт і, їхні, європейські, 230, щоб імпортна апаратура також харчувалася б своїм рідним напругою. Схема блоку розв'язує трансформатора буде такий (Рис. 1):
Амперметр змінного струму електромагнітної системи показує, наскільки сильно навантажений трансформатор. Номінальне навантаження 2,5 ампера, максимальна - 2,8 ампера. Вольтметр електромагнітної системи може бути підключений або до входу напруги живлення до вимикача, або до виходу вже відфільтрованого напруги 220 вольт.
При вимкненому трансформаторі підключив вольтметр до мережі, подивився, скільки там вольт, встановив перемикач на потрібну напругу, включив трансформатор, перемкнув вольтметр на вихід і, якщо треба, підстроїв напруга, переключивши відведення первинної обмотки.
В індивідуальному радіомовлення передавачі і модулятори принципово саморобні, як правило, використовують в своїх блоках харчування стандартні трансформатори на 220 вольт, і наші двополюсні розетки на 220 вольт - якраз для них. Студійна апаратура, як правило, європейська, тому евророзетки з земляним висновком і напругою 230 вольт - для неї. Вторинна обмотка трансформатора зроблена симетричною, щоб середній потенціал обмотки для кожного напруги збігався б з нульовим потенціалом.
Розрахунок трансформатора почнемо з визначення розмірів сердечника. Зрозуміло, що він повинен бути стрічковим, тороідальним (максимальний ККД і мінімальний струм холостого ходу), з електротехнічної холоднокатаної сталі, наприклад, марки Е3406, з товщиною стрічки 0,27. 0,3 мм, стандартної для силових трансформаторів на частоту 50 Гц. Головний параметр сердечника цей твір площі вікна під обмотку на робочий перетин муздрамтеатру. Вважаємо [1]:
P = 500 - потужність трансформатора [Вт];
η = 0,97 - ККД трансформатора;
Sc і So - площі поперечного перерізу сердечника і вікна, відповідно [см 2];
f = 50 - нижня робоча частота трансформатора [Гц];
B = 1,2 - магнітна індукція [T]; j = 2,8 - щільність струму в проводах обмоток [A / мм 2];
Km = 0,3 (для тороідов) коефіцієнт заповнення вікна сердечника міддю;
Kc = 0,96 - коефіцієнт заповнення перерізу сердечника сталлю;
При виборі конкретного типорозміру можна варіювати перетин сердечнеіка Sc і площа його вікна під намотування So. Чим менше перетин Sc. тим більше витків доведеться намотати. Чим більше Sc. тим важче сердечник, менше отвір вікна (при тому ж Sc х So) і важче укладати провід. Виробники сердечників для трансформаторів давно провели оптимізацію і пропонують ряд типорозмірів магнитопроводов, з «правильними» співвідношеннями Sc і So. Відповідно до номенклатури вироблених сердечників [6] вибираємо магнітопровід ОЛ80 / 130-40. Для нього: Sc х So = 471 см 4; Sc = 10 см 2; So = 47,1 см 2.
Число витків в обмотках не важко порахувати:
Підставивши інші значення напруг, отримаємо число витків у всіх обмотках (Таблиця 1). Число витків вторинних обмоток збільшено в 1 / √η раз для компенсації втрат.
І вже, коли, на робочому місці з'являється потужний трансформатор, велика спокуса намотати на ньому ще дві 50 ватних обмотки на 36 і 42 вольта, окремих від основної вторинної обмотки, і одну, теж окрему, 100 ватну, на 127 вольт, - для харчування антикварних паяльників. Але це за бажанням. Щоб не переплутати напруги паяльників при їх підключенні, треба встановити для них несумісні розетки і забезпечити шнури відповідними вилками.
Трансформатор починаємо мотати з вторинної обмотки, оскільки у неї менше висновків і поверх неї простіше буде укладати витки первинної обмотки. При цьому, уклавши витки першого шару обмотки щільно, виток до витка, по внутрішньої довжині окружності муздрамтеатру (в перший шар має поміститися не менше 210 витків), необхідно продовжити мотати другий шар, не перетинаючи витки початку обмотки (висновок 0), а укладаючи витки над уже намотаних в першому шарі (як би, відступаючи назад від першого витка). Те ж саме треба зробити у всіх наступних шарах обмоток: під час намотування перший виток не перетинаються ні з одного, ні з іншого боку. Укладанням проводу ми усунемо паразитний поздовжній виток в кожному шарі обмотки, енергія з якого буде наводити струм в осерді, нагрівати його, і знижувати ККД трансформатора.
Якщо будете замовляти трансформатор на фірмах їх мотатися, обов'язково обговоріть в технології таку укладку дроти. Інакше отримаєте трансформатор з паразитними поздовжніми витками по числу шарів обмотки. Намотчіце простіше встановити на лічильнику верстата потрібне число витків і піти базікати з подружками, а верстат мотає по колу в одну сторону. Намотав, скільки вказано - зупинився. Можуть навіть міжшарового ізоляції не прокласти. Це ж не відійти, і з подружками НЕ обговорити нову кофтинку начальниці цеху! - Тому такі трансформатори краще мотати самому. Будинки, вручну, човником, акуратно і чесно укладаючи кожен виток.
Перевірити порушення технології просто. Зовні, на який працює трансформатор, поперек витків його обмотки (паралельно кільцю муздрамтеатру), ні в якому разі не просмикуючи провід в вікно, одягніть КЗ виток з мідного дроту. Якщо струм холостого ходу трансформатора збільшиться, значить технологія була порушена і в первинній обмотці є поздовжні паразитні витки.
Ізоляція між шарами обмотки - шар кабельного паперу (Папір кабельний К-080, ГОСТ 23436-83). Ізоляція між первинною і вторинною обмотками: шар лакоткани (Лакоткань ЛШМ-105 (тип 121) або ЛФМ-105 (тип 133) товщиною 0,1 мм, ГОСТ 28034-89), шар кабельного паперу, і знову шар лакоткани. Вона повинна витримувати в робочому режимі напругу не менш як 1500 В. Зовні трансформатор слід обмотати шаром кабельного паперу і двома шарами лакоткани. Ізоляційні матеріали для трансформатора необхідно нарізати стрічками, шириною 15 мм, і намотувати з половинною перекриттям попереднього витка на зовнішній стороні кільця трансформатора.
Фільтри. До вторинної ланцюга трансформатора підключені заграждающие ВЧ фільтри для придушення проходження імпульсних перешкод з мережі до студійної апаратурі, і ВЧ перешкод від передавача в мережу. Оскільки передавач не повинен наводити через мережу живлення ВЧ перешкоди на апаратуру студії, то в нашій схемі ці ланцюги розв'язані аж двома фільтрами включеними послідовно. Зверніть увагу, що на схемі (Рис. 1) верхній фільтр включений входом вправо, а нижній, - входом вліво. Джерелом перешкод у верхній групі розеток, 220 В, є радіопередавач, а для студійної апаратури, 230 В, - електромережу. Тому і фільтри включені по-різному. При цьому, «земля» у студійній і передавальної апаратури, «пов'язана», загальна.
У схемі можна використовувати стандартні фільтри, але краще виготовити їх самому. Схема правильного мережевого фільтра показана на малюнку 2.
Резонансна частота ланцюжків L1, C2 + C4 і L2, C3 + C5, яка визначає помехоподавленія фільтра - 42 кГц. Цього достатньо не тільки для придушення ВЧ наведень від передавача, але і від імпульсних перетворювачів численних комп'ютерів. Резистори R1 і R2 забезпечують нульовий потенціал вторинної обмотки трансформатора в разі наведення на неї статичної електрики.
Електробезпека. Розв'язує трансформатор, завдяки тому, що жоден з висновків його вторинної обмотки не заземлений, забезпечує безпеку при дотику до будь-якій фазі вторинної ланцюга. Вони мають потенціал 115 вольт щодо землі. При контакті з тілом в ланцюг протікання вражаючого струму, з фази на землю, включена RC ланцюжок з модулем комплексного опору близько 48 кω. Оскільки фільтрів у вторинному ланцюзі включено два, і вони по живлячої току включені паралельно, то обмежує опір буде 24 кω. Максимальний струм поразки складе: Iпор = 115/24 = 4,8 мА. Вражаючий струм вторинної обмотки трансформатора майже в півтора рази менше «відпускається струму» (I = 6 мА). Дія струму величиною до 6 мА на організм людини допустимо без будь-яких наслідків, якщо тривалість його протікання не перевищує 30 секунд. Якщо доторкнутися до висновків вторинної ланцюга трансформатора, стоячи босоніж на мокрій підлозі або тримаючись другою рукою за заземлений предмет, то після удару струмом людина зможе сам звільнитися від вражаючої електричного впливу (ток його відпустить). «Смикне», але не вб'є, якщо, звичайно, серце у Вас здорове. А ось двома руками хапатися за обидві фази вторинної обмотки не слід. В такому колі обмежують опорів немає.
Перевантажувальна здатність. Іноді це буває важливо. Ми порахували трансформатор на щільність струму 2,8 А / мм 2 для скорочення падіння напруги на обмотці і збільшення ККД. Однак, робочим значенням щільності струму для нього є і 3,2 А / мм 2. на яку пораховано більшість трансформаторів [7]. При такій щільності струму в проводі ∅ 1,06 мм робочий струм складе 2,8 ампера. При номінальній напрузі в мережі 220 вольт, потужність трансформатора складе 616 Вт, а при напрузі мережі 230 вольт, відповідно, 644 Вт. Взявши середнє значення 630 Вт, в розрахунку на рівномірний розподіл навантаження між вихідними напругами, будемо мати на увазі, що наш 500-ватний трансформатор в екстреному випадку потягне на 130 Ватт більше, однак буде трохи грітися. А вже підключити до нього, повністю навантаженому на 500 Вт, ще осцилограф і паяльник на час налаштування апаратури - немає ніякої проблеми!