Transformatory Step-up, Step-down i Isolation Transformers

What is a Transformer? An Electrical Transformer Tutorial (Lipiec 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Transformatory Step-up, Step-down i Isolation Transformers

Obwody elektryczne prądu zmiennego


Pytanie 1

Oblicz napięcie wyjściowe uzwojenia wtórnego transformatora, jeśli napięcie pierwotne wynosi 35 woltów, uzwojenie wtórne ma 4500 zwojów, a uzwojenie pierwotne ma 355 zwojów.

V secondary =

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

V wtórne = 443, 7 wolta

Uwagi:

Obliczenia uzwojenia transformatora są po prostu ćwiczeniem w matematycznych stosunkach. Jeśli twoi uczniowie nie są silni w swoich umiejętnościach, to pytanie zapewnia aplikację do ich wyostrzenia!

pytanie 2

Oblicz prąd obciążenia i napięcie obciążenia w tym obwodzie transformatora:

Ładuję = obciążenie = =

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Obciążenie = obciążenie 23, 77 mA V = 8, 318 V

Uwagi:

Większość problemów z transformatorami to nic innego jak wskaźniki, ale niektórzy uczniowie uważają, że trudno jest poradzić sobie z proporcjami. Takie pytania są świetne, gdy uczniowie podchodzą do tablicy przed klasą i demonstrują, w jaki sposób uzyskali wyniki.

pytanie 3

Oblicz liczbę zwojów potrzebnych w uzwojeniu wtórnym transformatora, aby przekształcić napięcie pierwotne o wartości 300 V na napięcie wtórne o wartości 180 woltów, jeśli uzwojenie pierwotne ma 1150 zwojów drutu.

N wtórne =

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

N wtórne = 690 zwojów

Uwagi:

Większość problemów z transformatorami to nic innego jak wskaźniki, ale niektórzy uczniowie uważają, że trudno jest poradzić sobie z proporcjami. Takie pytania są świetne, gdy uczniowie podchodzą do tablicy przed klasą i demonstrują, w jaki sposób uzyskali wyniki.

Pytanie 4

Przewidzieć, w jaki sposób wszystkie napięcia i prądy składowe w tym obwodzie będą miały wpływ na następujące błędy. Rozważ każdą awarię niezależnie (tj. Pojedynczo, bez wielu błędów):

Uzwojenie pierwotne transformatora T 1 nie działa poprawnie:
Uzwojenie pierwotne transformatora T 1 nie jest zwarte:
Uzwojenie wtórne transformatora T 1 nie działa poprawnie:
Obciążenie nie jest zwarte:

W przypadku każdego z tych warunków należy wyjaśnić, dlaczego wystąpią takie skutki.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Zerwanie uzwojenia pierwotnego transformatora T 1 nie powiodło się: brak prądu w jakimkolwiek elemencie, brak napięcia na komponencie strony wtórnej.
Uzwojenie pierwotne transformatora T 1 nie jest zwarte: duży prąd przepływa przez bezpiecznik (który spowoduje jego przepalenie), mały prąd przez uzwojenie wtórne lub obciążenie, niewielkie napięcie na uzwojeniu wtórnym lub obciążeniu.
Uzwojenie wtórne transformatora T1 nie działa: Brak prądu przez jakąkolwiek składową strony wtórnej, brak napięcia na składowej uzwojenia wtórnego, mały prąd przez uzwojenie pierwotne.
Obciążenie nie jest zwarte: Duży prąd przepływa przez bezpiecznik (który spowoduje jego przepalenie), duży prąd przez uzwojenie wtórne i obciążenie, niewielkie napięcie na uzwojeniu wtórnym lub obciążeniu.

Uwagi:

Celem tego pytania jest podejść do dziedziny rozwiązywania problemów z obwodami z perspektywy wiedzy o tym, czym jest usterka, a nie tylko wiedzieć, jakie są objawy. Chociaż nie jest to koniecznie realistyczna perspektywa, pomaga uczniom zbudować podstawową wiedzę niezbędną do zdiagnozowania błędnego obwodu z danych empirycznych. Na takie pytania należy odpowiedzieć (ewentualnie) innymi pytaniami, w których prosi się uczniów o zidentyfikowanie prawdopodobnych usterek na podstawie pomiarów.

Pytanie 5

Załóżmy, że 1200 zwojów miedzianego drutu jest owiniętych wokół jednej części żelaznej obręczy, a 3000 zwojów drutu jest owiniętych wokół innej części tego samego obręcza. Jeśli cewka 1200-turowa jest zasilana 15-woltowym prądem przemiennym (RMS), to ile napięcia pojawi się między końcami cewki o 3000 obrotach "# 5"> Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

37, 5 wolt AC, RMS.

Uwagi:

Obliczenia uzwojenia transformatora są po prostu ćwiczeniem w matematycznych stosunkach. Jeśli twoi uczniowie nie są silni w swoich umiejętnościach, to pytanie zapewnia aplikację do ich wyostrzenia!

Pytanie 6

Oblicz napięcie wyjściowe uzwojenia wtórnego transformatora, jeśli napięcie pierwotne wynosi 230 woltów, uzwojenie wtórne 290 zwojów, a uzwojenie pierwotne 1120 zwojów.

V secondary =

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

V wtórne = 59, 6 woltów

Uwagi:

Obliczenia uzwojenia transformatora są po prostu ćwiczeniem w matematycznych stosunkach. Jeśli twoi uczniowie nie są silni w swoich umiejętnościach, to pytanie zapewnia aplikację do ich wyostrzenia!

Pytanie 7

Oblicz prąd źródłowy i prąd obciążenia w tym obwodzie transformatora:

I source = I load =

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Źródło = 187, 5 mA Obciążenie = 72, 73 mA

Uwagi:

Większość problemów z transformatorami to nic innego jak wskaźniki, ale niektórzy uczniowie uważają, że trudno jest poradzić sobie z proporcjami. Takie pytania są świetne, gdy uczniowie podchodzą do tablicy przed klasą i demonstrują, w jaki sposób uzyskali wyniki.

Pytanie 8

Jeżeli cewka z izolowanym drutem zostanie owinięta wokół żelaznego rdzenia, powstanie indukcyjność. Nawet jeśli drut ma znikomy opór, prąd płynący przez cewkę ze źródła prądu przemiennego będzie ograniczony przez reaktancję indukcyjną (X L ) cewki, ponieważ strumień magnetyczny w żelaznym rdzeniu oscyluje w przód iw tył, wywołując przeciw-EMF :

Wykreślić kształt fali chwilowego strumienia magnetycznego (φ) w rdzeniu żelaznym odpowiadający chwilowemu przyłożonemu napięciu (v) pokazanemu na tym wykresie:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Uwagi:

Istnieje prosty wzór (aczkolwiek zawierający termin pochodny) opisujący związek między chwilowym strumieniem (φ) a chwilowym indukowanym napięciem (v). Twoi uczniowie powinni wiedzieć, co to jest i że powinno się to zastosować do tego pytania!

Pytanie 9

Jeśli zasilimy cewkę induktora napięciem oscylacyjnym (AC), wygenerujemy oscylujący strumień magnetyczny w rdzeniu wzbudnika:

Jeśli otworzymy drugą cewkę drutu wokół tego samego rdzenia magnetycznego, co pierwsza cewka (cewka), stworzymy sytuację, w której istnieje wzajemna indukcyjność: zmiana prądu przez jedną cewkę indukuje napięcie w drugiej i na odwrót. To oczywiście spowoduje indukcję napięcia przemiennego w drugiej cewce drutu:

Jaką nazwę ma takie urządzenie, przy czym dwie cewki z drutu mają wspólny strumień magnetyczny "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/01876x03.png">

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

To urządzenie nazywa się transformatorem .

Uwaga: względne amplitudy v p i v s są arbitralne. Rysowałem je w różnych amplitudach dla dobra czytelnika: więc te dwie przebiegi nie pokrywałyby się całkowicie i nie dałyby się odróżnić od siebie.

Uwagi:

Zapytaj uczniów, w jaki sposób należy wykonać cewkę wtórną, aby rzeczywiście wygenerować napięcie większe niż zastosowane (pierwotne) napięcie cewki. Co powiesz na wygenerowanie napięcia wtórnego mniejszego niż podstawowy "panel z arkuszem roboczym - domyślny panel" itemscope>

Pytanie 10

Pokazano tutaj schemat transformatora zasilającego obciążenie rezystancyjne, dokładnie w momencie, w którym napięcie uzwojenia pierwotnego znajduje się na jego dodatniej (+) wartości szczytowej:

Zidentyfikuj biegunowość napięcia na rezystorze obciążenia w tym momencie, a także kierunek prądu w każdym z uzwojeń.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pytanie uzupełniające: zanotuj zależność między kierunkiem prądu a polaryzacją napięcia dla każdego z uzwojeń transformatora. Co sugerują te różne relacje w odniesieniu do "przepływu" mocy w obwodzie "uwagi ukryte"> Uwagi:

Jednym z punktów widzenia, który może pomóc uczniom zrozumieć kierunki przepływu prądu przez każde uzwojenie transformatora, w odniesieniu do polaryzacji napięcia, jest myślenie o każdym uzwojeniu będącym źródłem energii elektrycznej lub obciążenia . Zapytaj uczniów: "Które uzwojenie działa jako źródło w tym obwodzie, a które działa jako obciążenie ? Wyobraź sobie, że te źródła i obciążenia są DC (więc możemy zachować taką samą polaryzację napięcia, ze względu na analizę). W jaki sposób chciałbyś narysować prądy dla źródła prądu stałego i obciążenia DC?

Pytanie 11

Cewka zapłonowa napędzanego silnikiem benzynowym silnika samochodowego jest przykładem transformatora, chociaż nie jest zasilana prądem zmiennym. Wyjaśnij, w jaki sposób transformator może być zasilany energią elektryczną, która nie jest prądem przemiennym:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Aby transformator działał, pierwotny prąd uzwojenia musi szybko zmieniać się w zależności od czasu. Nie ma znaczenia, czy jest to prąd, który naprawdę się zmienia, czy tylko ten, który pulsuje w tym samym kierunku.

Pytanie zadawania: czy kształt fali napięcia wtórnego jest sinusoidalny "notatki ukryte"> Uwagi:

Jest to bardzo powszechne zastosowanie technologii transformatora: "cewka zapłonowa" używana do zapalania mieszanki paliwowo-powietrznej wewnątrz komory spalania silnika benzynowego. To pytanie odnosi się również do problemu, który czasem jest źle rozumiany przez studentów, że transformatory są zasadniczo urządzeniami prądu przemiennego, a nie prądu stałego.

Dobrym pomysłem może być posiadanie motoryzacyjnej cewki zapłonowej do demonstracji w klasie. Zamiast świecy zapłonowej można użyć lampy neonowej, aby wskazać obecność wysokiego napięcia.

Jeśli chodzi o odpowiedź na pytanie o wyzwanie, oscyloskop szybko udowodni naturę fali, dla każdego transformatora zasilanego pulsującym prądem stałym.

Pytanie 12

W tym obwodzie wystąpił błąd, ponieważ żarówka nie świeci się, gdy przełącznik jest zamknięty:

Jaki rodzaj (typy) błędów transformatora spowodowałby taki problem i jak można zweryfikować za pomocą multimetru "# 12"> Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Najczęstszym rodzajem uszkodzenia transformatora powodującym taki problem jest otwarte uzwojenie. Jest to bardzo łatwe do sprawdzenia za pomocą multimetru (pozwolę ci odpowiedzieć na tę część pytania!).

Uwagi:

Oczywiście błędy w tym obwodzie, które nie mają nic wspólnego z transformatorem, mogą również uniemożliwić zapalenie żarówki. Jeśli czas na to pozwala, dobrze byłoby przeanalizować kilka scenariuszy niepowodzenia ze swoimi uczniami, kwestionując je, aby zlokalizować źródło problemu tak skutecznie, jak to tylko możliwe.

Pytanie 13

Przemysłowe transformatory mocy służą do obniżenia napięcia 480 lub 240 V do poziomu bardziej akceptowalnego dla obwodu sterowania przekaźnika: zwykle 120 woltów. Niektóre transformatory mocy sterowniczej są zbudowane z wieloma uzwojeniami pierwotnymi, aby ułatwić podłączenie do źródła prądu zmiennego o napięciu 480 wolt lub 240 woltów:

Takie transformatory są zwykle reklamowane jako mające uzwojenia pierwotne "240 x 480", symbol "×" reprezentujący dwa niezależne zwoje z czterema punktami połączenia (H1 do H4).

Pokaż połączenia na czterech zaciskach "H" niezbędnych do pracy 240 woltów, a także do pracy 480 woltów, na następujących ilustracjach:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Uwagi:

Ten typ transformatora jest bardzo powszechny w systemach sterowania przemysłowego. Przedyskutuj z uczniami, dlaczego zaciski uzwojenia pierwotnego są ułożone w takiej postaci, w jakiej są (H1-H3-H2-H4), aby ułatwić zaciskanie w pobliżu zacisków z metalowymi zaciskami.

Pytanie 14

Jeśli transformator izolacyjny (transformator o takiej samej liczbie zwojów "w cewce pierwotnej i wtórnej) jest podłączony między źródłem prądu przemiennego a obciążeniem AC, zmierzymy to samo napięcie i ten sam prąd na zaciskach źródła i obciążenia:

Jeśli obliczymy moc wyjściową źródła i moc rozproszoną przez obciążenie, wartość będzie taka sama: 420 W (P = IV).

Załóżmy teraz, że analizujemy obwód zawierający transformator podwyższający (jeden z większą liczbą zwojów drutu w cewce wtórnej niż w cewce pierwotnej). W przypadku transformatora podwyższającego napięcie obciążenia będzie większe niż napięcie zasilania. W tym przykładzie przedstawiam transformator podwyższający o stosunku krokowym 1: 2:

Zakładając, że rezystancja obciążenia jest całkowicie różna od pierwszego obwodu (transformatora izolacyjnego), co można wywnioskować na temat prądu obciążenia i mocy (źródła i obciążenia) w tym obwodzie "# 14"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

Podstawowe prawo fizyczne znane jako Prawo zachowania energii mówi ci wszystko, co musisz wiedzieć o mocy źródła i mocy obciążenia! I z tego powodu nie tylko można jakościowo określić prąd obciążenia w tym obwodzie, ale także obliczyć go z pewnym stopniem dokładności.

Uwagi:

Jedynym powodem, dla którego waham się, aby powiedzieć uczniom, że potrafią dokładnie obliczyć prąd obciążenia, jest to, że nie stwierdzono, czy transformator w ogóle jest "stratny". Żaden prawdziwy transformator nie jest oczywiście w 100% bezstratny i jest to coś, co musimy wziąć pod uwagę w "prawdziwym życiu".

Odkryłem, że podejście "Ochrona energii" ma sens nie tylko dla studentów, ponieważ uczą się oni obliczać zachowanie transformatora, ale jest doskonałym wzmocnieniem podstawowego prawa fizyki, którego dobre zrozumienie dobrze mu służy w całej karierze.

Pytanie 15

Oblicz wszystkie podane wartości dla tego obwodu transformatora:

V primary =
V secondary =
I primary =
I secondary =

Wyjaśnij, czy jest to transformator podwyższający, obniżający lub izolujący, a także wyjaśnij, co odróżnia uzwojenie "pierwotne" od uzwojenia "wtórnego" w dowolnym transformatorze.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

V pierwotny = 48 woltów
V wtórne = 14, 77 woltów
I primary = 30, 3 mA
I wtórne = 98, 5 mA

To jest transformator obniżający napięcie .

Uwagi:

Większość problemów z transformatorami to nic innego jak wskaźniki, ale niektórzy uczniowie uważają, że trudno jest poradzić sobie z proporcjami. Takie pytania są świetne, gdy uczniowie podchodzą do tablicy przed klasą i demonstrują, w jaki sposób uzyskali wyniki.

Pytanie 16

Oblicz wszystkie podane wartości dla tego obwodu transformatora:

V primary =
V secondary =
I primary =
I secondary =

Wyjaśnij, czy jest to transformator podwyższający, obniżający lub izolujący, a także wyjaśnij, co odróżnia uzwojenie "pierwotne" od uzwojenia "wtórnego" w dowolnym transformatorze.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

V pierwotny = 3, 7 wolta
V wtórne = 12, 0 woltów
I primary = 26, 1 mA
I wtórne = 8, 02 mA

To jest transformator zwiększający napięcie .

Uwagi:

Większość problemów z transformatorami to nic innego jak wskaźniki, ale niektórzy uczniowie uważają, że trudno jest poradzić sobie z proporcjami. Takie pytania są świetne, gdy uczniowie podchodzą do tablicy przed klasą i demonstrują, w jaki sposób uzyskali wyniki.

Zwróć uwagę uczniom, że rozróżnienie pomiędzy transformatorem podwyższającym i obniżającym jest po prostu kwestią użycia. Możliwe jest użycie transformatora w obie strony!

Pytanie 17

W typowym transformatorze podwyższającym lub obniżającym napięcie, uzwojenie o wyższym napięciu zwykle używa drutu o mniejszym przekroju niż uzwojenie niższego napięcia. Wyjaśnij, dlaczego tak jest.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Uzwojenie o wyższym napięciu obsługuje prąd mniejszy niż uzwojenie dolnego napięcia.

Uwagi:

Jeśli masz transformator, który został przecięty na pół (przez rdzeń), będzie doskonałym elementem do dyskusji. Różnica między uzwojeniami będzie natychmiast widoczna dla uczniów, gdy zobaczą jeden.

Pytanie 18

Mechanik jedzie do szkoły i bierze udział w kursie obwodów elektrycznych prądu przemiennego. Po zapoznaniu się z transformatorami step-up i step-down zwraca uwagę, że "transformatory zachowują się jak elektryczne wersje kół zębatych o różnych przełożeniach."

Co oznacza słowo "mechanika" w tym komunikacie "# 18"> Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Tak jak zazębiające się koła zębate o różnej liczbie zębów zmieniają moc mechaniczną między różnymi poziomami prędkości i momentu obrotowego, transformatory elektryczne przekształcają moc między różnymi poziomami napięcia i prądu.

Uwagi:

Jest to nie tylko analogia dźwiękowa, ale także ta, z którą wielu myślących mechanicznie ludzi łatwo rozumie! Jeśli zdarzy ci się, że masz w swojej klasie mechaników, daj im możliwość wyjaśnienia pojęcia przełożenia skrzyni biegów uczniom, którzy nie są świadomi matematyki układu zębatego.

Pytanie 19

Wyjaśnij, w jaki sposób ten specjalny transformator jest w stanie kontrolować moc żarówki:

Jakie mogą być korzyści z zastosowania transformatora do sterowania mocą prądu zmiennego, w przeciwieństwie do rezystora zmiennego "# 19"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

Ten transformator kontroluje moc żarówki, zapewniając zmienny stosunek napięcia między źródłem i obciążeniem.

Uwagi:

Może pomóc podać kilka przykładowych współczynników obniżenia napięcia transformatora w tym obwodzie, aby uczniowie lepiej zrozumieli, jak to urządzenie kontroluje moc żarówki. Przypomnij uczniom, że nowoczesne transformatory są bardzo wydajnymi urządzeniami, a ocena wydajności przy pełnym obciążeniu przekracza zazwyczaj 95%.

Jeśli uczniowie pytają o Variac, możesz pokazać im ten schemat:

Oczywiście Variac jest rodzajem autotransformatora i jako taki nie zapewnia elektrycznej izolacji zwykłego transformatora. W niektórych przypadkach może to być ważne!

Pytanie 20

W tym obwodzie transformatora o napięciu zmiennym napięcie wejściowe (120 VAC) jest przełączane na różne "zaczepy" uzwojenia pierwotnego transformatora, aby uzyskać różne współczynniki obniżenia.

Chociaż możliwe jest "dotknięcie" uzwojenia wtórnego transformatora w celu uzyskania różnych napięć wyjściowych zamiast pierwotnego, istnieje dobry powód umieszczenia przełącznika po stronie pierwotnej obwodu. Zidentyfikuj ten praktyczny powód.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Aby zminimalizować ilość prądu, styki przełącznika muszą obsługiwać.

Uwagi:

Ważne jest, aby zawsze pamiętać o praktycznych ograniczeniach komponentów takich jak styki przełączników podczas projektowania obwodów. Oczywiście, może istnieć wiele alternatywnych sposobów budowania obwodu roboczego, ale niektóre sposoby będą bardziej praktyczne niż inne.

W niektórych przypadkach lepszym rozwiązaniem byłoby zlokalizowanie przełącznika (i zaworów) po stronie wtórnej transformatora obniżającego zamiast pierwotnego. Wyobraź sobie, że napięcie uzwojenia pierwotnego wynosiło 100 kVAC zamiast 120 VAC. Przedstaw ten scenariusz swoim uczniom i zapytaj ich, jakie praktyczne ograniczenia przełączania mogą wymusić zmianę lokalizacji na uzwojenie wtórne transformatora.

Pytanie 21

Załóżmy, że system zasilania dostarczał moc prądu zmiennego do obciążenia rezystancyjnego, pobierając 150 amperów:

Oblicz napięcie obciążenia, rozpraszanie mocy obciążenia, moc rozpraszaną przez rezystancję drutu ( przewód R) i ogólną sprawność energetyczną (η = (( obciążenie P) / ( źródło P))).

E load =
P load =
P lines =
η =

Załóżmy teraz, że użyjemy pary doskonale sprawnych transformatorów 10: 1, aby podnieść napięcie do transmisji i ponownie obniżyć do wykorzystania przy obciążeniu. Ponownie obliczyć napięcie obciążenia, moc obciążenia, zmarnowaną moc i ogólną wydajność tego systemu:

E load =
P load =
P lines =
η =
Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Prosty system (bez transformatorów):

Obciążenie E = 210 woltów
Obciążenie P = 31, 5 kW
Linie P = 4, 5 kW
η = 87, 5%

Złożony system (z transformatorami):

Obciążenie E = 239, 7 V
Obciążenie P = 35, 96 kW
Linie P = 45 W
η = 99, 88%

Pytanie uzupełniające: czy można wymyślić jakiekolwiek wady obwodu wykorzystujące transformatory 10: 1 w porównaniu z oryginalnym (beztransformatorowym) układem zasilania "Notatki ukryte"> Uwagi:

Przykład taki jak ten zwykle wyjaśnia korzyści płynące z używania prądu przemiennego zamiast prądu stałego do przesyłania dużych ilości energii elektrycznej na znaczne odległości, co jest lepsze niż zwykłe wyjaśnienie uczniom, dlaczego transformatory są stosowane w systemach elektroenergetycznych. Nawet przy niewielkich stratach mocy w transformatorach (powiedzmy, 3% strat w każdej), ogólna sprawność jest nadal znacznie większa w tym systemie niż bez użycia transformatorów w ogóle.

Omawiając dalsze pytania, pamiętaj, aby zwrócić uwagę na bezpieczeństwo, jeśli nikt z twoich uczniów tego nie robi.

Pytanie 22

Rezystory bocznikowe są powszechnie używane do pomiaru prądu w obwodach mocy, poprzez wytworzenie niewielkiego spadku napięcia wprost proporcjonalnie do prądu obwodu. Są one szczególnie przydatne do pomiaru złożonych przebiegów prądu w obwodach prądu przemiennego, ponieważ w ogóle nie zniekształcają przebiegu.

Załóżmy, że chcesz zmierzyć przebieg prądu w tym obwodzie mocy, używając oscyloskopu do pomiaru napięcia spadłego na rezystor bocznikowy:

Jeśli podłączysz oscyloskop do obwodu mocy, jak pokazano, wystąpią bardzo złe rzeczy, takie jak oscyloskop, z dużą ilością iskier!

Po wymianie uszkodzonego zespołu sondy i dłuższej przerwie, aby uspokoić nerwy, doświadczony technik sugeruje podłączenie przewodu zasilającego oscyloskopu do transformatora izolacyjnego, aby uniknąć tego problemu w przyszłości. Wyjaśnij, czym jest transformator izolacyjny, dlaczego zapobiega on problemowi zwarcia występującemu w tym obwodzie i jakie środki ostrożności należy podjąć, gdy go używasz.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

"Transformator izolacyjny" nie obniża ani nie zmniejsza napięcia, ale raczej zapewnia izolację elektryczną między uzwojeniem pierwotnym i wtórnym. W tym szczególnym przypadku transformator izolacyjny wprowadzony do obwodu mocy oscyloskopu rozbija obwód utworzony przez połączenie zacisku uziemiającego sondy z metalową obudową oscyloskopu, która z kolei jest połączona z bolcem uziemiającym na wtyczce przewodu zasilającego, która jest połączona z ziemią grunt dla bezpieczeństwa.

Jeśli transformator izolacyjny jest używany w taki sposób, unika problemu zwarcia, ale tylko kosztem "nieuziemienia" obudowy oscyloskopu, co czyni go niebezpiecznym w dotyku !!!

Pytanie uzupełniające: wybierz sposób bezpiecznego użycia oscyloskopu do pomiaru napięcia rezystora bocznikowego, bez konieczności korzystania z transformatora separującego.

Uwagi:

Ta lekcja na temat korzystania z oscyloskopu jest cenna, ponieważ uczniowie z pewnością napotkają problemy z obwodami wynikającymi z połączeń uziemienia przez podstawę oscyloskopu. Posiadanie oscyloskopu i omomierza w klasie podczas dyskusji byłoby dobrym pomysłem, więc uczniowie mogą testować wspólne połączenia.

Pytanie 23

Załóżmy, że potrzebujesz zasilać 120-woltowy, 600-watowy element grzewczy ze źródła 240-woltowego. Zdarza się, że masz pod ręką kilka transformatorów obniżających napięcie 240 V / 120 V, ale każdy ma tylko 400 VA. Narysuj schemat pokazujący, jak można zastosować wiele transformatorów, aby dopasować obciążenie 120 woltów do źródła 240 woltów.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Uwagi:

Jeśli studenci nie badali jeszcze mocy prądu zmiennego (wat, volt-ampery i reaktywne volt-ampery), niech najpierw ustalą, co oznacza "VA", a następnie powiedzą, że jest to po prostu równoważne "watom" dla rezystora obciążenie.

Jest bardzo realistycznym problemem, aby dopasować dostępne komponenty do określonego zadania, więc to pytanie jest warte twojej uwagi, a jednocześnie do dokładnego omówienia i zrozumienia.

Pytanie 24

Wyjaśnij, w jaki sposób konstrukcja transformatora obniżającego różni się od transformatora step-up .

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Transformatory obniżające mają mniej zwojów wtórnych od zwojów pierwotnych, podczas gdy transformatory podnoszące mają więcej zwojów wtórnych niż zwoje pierwotne.

Uwagi:

Poproś uczniów, aby wyjaśnili związek między skrętami pierwotnymi i wtórnymi oraz jak wpływa to na stosunek transformacji napięcia w oparciu o wzajemną indukcyjność.

Pytanie 25

Wyjaśnij, w jaki sposób konstrukcja transformatora izolującego różni się od konstrukcji transformatora podwyższającego lub obniżającego .

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Transformatory obniżające mają mniej zwojów wtórnych od zwojów pierwotnych, podczas gdy transformatory podnoszące mają więcej zwojów wtórnych niż zwoje pierwotne. Transformatory separacyjne mają jednakowe skręty w obu uzwojeniach.

Uwagi:

Poproś uczniów, aby wyjaśnili związek między skrętami pierwotnymi i wtórnymi oraz jak wpływa to na stosunek transformacji napięcia w oparciu o wzajemną indukcyjność.

Pytanie 26

Przy obliczaniu mocy w obwodach transformatorowych, w jaki sposób moc pierwotna i wtórna obwodu (P pierwotna = V pierwotna I pierwotna i P wtórna = V wtórnie I wtórna ) porównywane są ze sobą "# 26"> Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Idealnie, P wtórne = P pierwotne, chociaż ta równoważność nigdy nie jest całkiem dokładna. W praktyce P wtórne zawsze będzie nieco mniejsze niż P pierwotne .

Uwagi:

Najprostszą odpowiedzią na to pytanie jest to, że P wtórne = P pierwotne, i jest to użyteczna zasada przy obliczaniu obwodu transformatora. Nawet jeśli nie jest to dokładna prawda, nadal jest użytecznym narzędziem do sprawdzania prawdziwości naszych obliczeń. Zapytaj swoich studentów, dlaczego tak jest.

Pytanie 27

Wyjaśnij, dlaczego transformatory są szeroko stosowane w systemach dystrybucji energii na duże odległości. Jaką korzyść zapewniają system energetyczny?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Transformatory są używane do zwiększania napięcia w celu zapewnienia wydajnego transportu na duże odległości i są wykorzystywane do obniżenia wysokiego napięcia w obwodach punktowych.

Uwagi:

Poproś uczniów, aby szczegółowo wyjaśnili odpowiedź, a nie tylko powtarzali, co podana jest dana odpowiedź. Dlaczego dystrybucja wysokiego napięcia jest bardziej wydajna niż dystrybucja niskiego napięcia? Dlaczego wysokie napięcie należy zlikwidować w przypadku aplikacji w punkcie użytkowania?

Pytanie 28

Czy transformatory łączą generatory elektrowni z wysokonapięciowymi liniami energetycznymi, rozważanymi jako step-up lub step-down ? Wyjaśnij swoją odpowiedź.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Są one uważane za krok naprzód .

Uwagi:

Poproś uczniów, aby zdefiniowali "step-up" i "step-down" w odniesieniu do transformatorów systemu elektroenergetycznego.

Pytanie 29

Pistolet do lutowania jest narzędziem do szybkiego podgrzewania połączeń elektrycznych do lutowania. Zbyt duże rozmiary w przypadku płytek drukowanych (PCB) sprawiają, że jest lepiej przystosowany do stosowania w punktowych punktach okablowania, gdzie duże przewody mają być łączone z metalowymi końcówkami i innymi przewodami.

Oprócz tego, że jest użytecznym narzędziem do lutowania, jest to również doskonały przykład transformatora obniżającego napięcie . Wyjaśnij, jak konstrukcja pistoletu lutowniczego wykorzystuje transformator obniżający (z bardzo dużym współczynnikiem skoku!), Aby wytworzyć wysoką temperaturę na grocie lutowniczej.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Na to pytanie najlepiej odpowiedzieć poprzez demontaż i inspekcję prawdziwego pistoletu lutowniczego. Narzędzia te są dość łatwe do rozebrania i ponownego złożenia, więc nie powinno to w niewielkim stopniu obawiać się uszkodzeń spowodowanych takimi eksploracjami. Chociaż powinno to być oczywiste, nigdy nie należy demontować urządzenia elektrycznego, które jest nadal podłączone do zasilania liniowego!

Uwagi:

Dla studentów, którzy nie mają pistoletów do lutowania, aby je rozebrać, a dla tych, którzy nie chcą ryzykować zrujnowania narzędzia poprzez niewłaściwy demontaż / ponowny montaż, nie jest trudno znaleźć zdjęcia z wnętrza karabinu lutowniczego. Zespół transformatora obniżającego powinien być oczywisty podczas kontroli.

Pytanie 30

Pokazany tutaj obwód ma problem: lampa nie świeci się, mimo że źródło prądu przemiennego jest znane jako dobre. Wiesz, że obwód działał dobrze, więc jest właściwie zaprojektowany. Coś w tym się nie udało:

Zidentyfikuj jeden element lub usterkę przewodu, która może wyjaśnić, że lampa się nie świeci, i opisz, w jaki sposób używałbyś sprzętu testowego do weryfikacji tego błędu.

uszkodzony przewód lub komponent w obwodzie, który mógłby rozwiązać problem, oraz rodzaj usterki (otwarty lub krótki), który podejrzewasz.
Określ typ pomiaru, jaki wykonasz w tym obwodzie, i miejsce, w którym byś go wziął (określ punkty testowe, które mierzysz pomiędzy), aby zweryfikować podejrzenie usterki.
Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Jest tu wiele możliwości, więc pozostawiam to Tobie, by to ustalić!

Uwagi:

Oczywiście błędy w tym obwodzie, które nie mają nic wspólnego z transformatorem, mogą również uniemożliwić zapalenie żarówki. Jeśli czas na to pozwala, dobrze byłoby przeanalizować kilka scenariuszy niepowodzenia ze swoimi uczniami, kwestionując je, aby zlokalizować źródło problemu tak skutecznie, jak to tylko możliwe.

Pytanie 31

Załóżmy, że transformator obniżający napięcie nie działa z powodu przypadkowego zwarcia po stronie wtórnej (obciążenia) obwodu:

Fakt, że transformator faktycznie zawiodł w wyniku krótkiego jest bez wątpienia: dym był widziany z niego, na krótko przed zatrzymaniem prądu w obwodzie. Technik usuwa wypalony transformator i wykonuje szybką kontrolę ciągłości obu uzwojeń, aby sprawdzić, czy nie został on otwarty. Stwierdza, że ​​pierwotne uzwojenie jest otwarte, ale uzwojenie wtórne jest ciągle ciągłe. Zastanawiając się nad tym odkryciem, prosi o wyjaśnienie, w jaki sposób pierwotne uzwojenie mogło się nie otworzyć, podczas gdy uzwojenie wtórne jest nadal nienaruszone, jeśli w rzeczywistości wystąpił zwarcie po drugiej stronie obwodu. Co byś powiedział "# 31"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

Zwarcie powodowałoby wzrost prądu w obu uzwojeniach transformatora.

Uwagi:

Ważne jest, aby uczniowie uświadomili sobie, że transformator "odbija" warunki obciążenia po stronie wtórnej do strony pierwotnej, tak że źródło "odczuwa" obciążenie pod każdym względem. To, co dzieje się po stronie wtórnej (obciążenia), będzie faktycznie odbijane po stronie pierwotnej (źródłowej).

Pytanie 32

Silnik prądu przemiennego otrzymuje zmniejszone napięcie poprzez transformator obniżający napięcie, dzięki czemu może prawidłowo działać na źródle 277 woltów:

Po latach bezproblemowego działania coś się nie udaje. Teraz silnik nie działa, gdy oba przełączniki są zamknięte. Technik wykonuje cztery pomiary napięcia między następującymi punktami testowymi, przy obu przełącznikach w pozycji "włączony":


KrokPomiary


1V TP2-Gnd = 277 V


2V TP3-Gnd = 277 V


3V TP5-Gnd = 0 V


4V TP4-Gnd = 0 V


Uzupełnij tę rozszerzoną tabelę, postępując zgodnie z krokiem technika w tej samej kolejności, w jakiej zostały wykonane pomiary napięcia, oznaczając status każdego elementu jako "O" (prawdopodobnie otwarty), "S" (ewentualnie zwarty) lub "OK" (znany jako dobry). Pierwszy wiersz tabeli powinien zawierać wiele możliwych etykiet błędów (ponieważ przy niewielkiej ilości danych istnieje wiele możliwości), ale w miarę wykonywania większej liczby pomiarów należy ograniczyć możliwości. Załóżmy, że tylko jeden składnik jest uszkodzony.


KrokPomiarySW 1BezpiecznikPodstawowaWtórnySW 2Silnik


1V TP2-Gnd = 277 V


2V TP3-Gnd = 277 V


3V TP5-Gnd = 0 V


4V TP4-Gnd = 0 V


Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź


KrokPomiarySW 1BezpiecznikPodstawowaWtórnySW 2Silnik


1V TP2-Gnd = 277 VokOOOOO


2V TP3-Gnd = 277 VokokOOOO


3V TP5-Gnd = 0 VokokOOOok


4V TP4-Gnd = 0 VokokOOokok


Zerwanie pierwotne lub wtórne nie działa!

Pytanie uzupełniające: opisz, co chcesz następnie zmierzyć w tym obwodzie, aby ustalić, czy to uzwojenie pierwotne, czy wtórne nie zostało otwarte.

Uwagi:

Uczniowie mogą zapytać, dlaczego jest możliwe, aby powiedzieć, że drugi przełącznik i silnik są w porządku, po tym jak technik zmierzył 0 V przed każdym. Z pewnością wiemy, że coś zawiodło przed punktami, w których zmierzono 0 V, ale to nie mówi nam o kondycji komponentów po tych punktach! Odpowiedzią na to bardzo dobre pytanie jest założenie stwierdzone na końcu pytania: że mamy założyć tylko jeden błąd komponentu w obwodzie . Jeżeli albo przełącznik 2 albo silnik ulegnie uszkodzeniu, to nadal nie będzie uwzględniać braku napięcia między TP4 a masą. Może to być zwarcie w silniku, ale następnie przepaliłby się bezpiecznik, co spowodowałoby 0 woltów między TP3 a masą. Zakładamy zatem, że silnik i przełącznik 2 muszą być w porządku, ponieważ tylko niektóre pojedyncze uszkodzenia mogą powodować odczytane przez nas pomiary.

Pytanie 33

Ethernet jest popularnym standardem komunikacji dla wielu urządzeń cyfrowych, w tym komputerów osobistych. Pierwotnie Ethernet miał być standardem sieciowym do przesyłania wyłącznie danych cyfrowych, bez zasilania. W późniejszych latach jednak modernizacja do standardowej dozwolonej mocy prądu stałego jest przenoszona przez te same pary przewodów. Standard IEEE 802.3af jest przykładem standardu Power-over-Ethernet.

Pokazano tutaj schemat pokazujący, jak dwa urządzenia Ethernet łączą się ze sobą za pomocą skrętki dwużyłowej kategorii 5 ("Cat 5"), bez zasilania prądem stałym przez okablowanie:

Dane cyfrowe składają się z impulsów napięciowych z upływem czasu (AC, w zasadzie), przeprowadzonych pomiędzy dwoma urządzeniami na dwóch zestawach skrętek.

Następny schemat pokazuje standard 802.3af umożliwiający komunikację zarówno mocy prądu stałego, jak i danych cyfrowych za pośrednictwem tych samych par przewodów. Zwróć uwagę na zastosowanie transformatorów na każdym urządzeniu:

Wyjaśnij, jakie funkcje zapewnia (zapewniają) transformatory w tym systemie oraz w jaki sposób pozwalają mocy prądu stałego na przejście par przewodów od źródła do obciążenia bez zakłócania sygnałów danych Ethernet, które są zmiennymi.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Prześledzić prąd stały od źródła do obciążenia, a zobaczysz, że istnieje zerowy strumień magnetyczny netto w rdzeniach transformatora wynikających z DC, co oznacza, że ​​transformatory nie "widzą" prądu DC dla wszystkich praktycznych zastosowań.

Uwagi:

Jest to interesujące zastosowanie transformatorów: izolacja DC umożliwiająca budowę systemu "linii przesyłowej" bez użycia sieci filtrów.

W rzeczywistości jest więcej w standardzie 802.3af niż to, co pokazano na drugim schemacie. Standard ten pozwala również na użycie dwóch pozostałych par przewodów w kablu Cat 5 jako dedykowanych przewodów zasilających. Pomijam ten aspekt dla uproszczenia.

Pytanie 34

Znajdź jeden lub dwa prawdziwe transformatory i zabierz je ze sobą na zajęcia do dyskusji. Zidentyfikuj jak najwięcej informacji na temat transformatorów przed rozpoczęciem dyskusji:

Współczynnik nawijania
Referencje uzwojenia
Napięcie znamionowe każdego uzwojenia
Aktualna ocena każdego uzwojenia
Ocena częstotliwości
Aplikacja (zasilanie, sygnał, dźwięk itp.)
Typ (rdzeń żelazny, rdzeń powietrzny itp.)
Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Jeśli to możliwe, znajdź arkusz danych producenta dla twoich komponentów (lub przynajmniej arkusz danych dla podobnego komponentu), aby porozmawiać z kolegami z klasy.

Przygotuj się do udowodnienia rzeczywistych rezystancji uzwojenia transformatorów w klasie za pomocą multimetru!

Uwagi:

Celem tego pytania jest doprowadzenie uczniów do kinestetycznej interakcji z tematem. To może wydawać się głupie, gdy uczniowie angażują się w ćwiczenia "pokaż i powiedz", ale odkryłem, że takie działania bardzo pomagają niektórym uczniom. Dla tych uczących się, którzy mają kinestetyczny charakter, bardzo pomocne jest dotknięcie prawdziwych elementów podczas uczenia się o ich funkcji. Oczywiście to pytanie stanowi także doskonałą okazję do ćwiczenia interpretacji oznaczeń elementów, korzystania z multimetru, kart z danymi dostępowymi itp.

  • ← Poprzedni arkusz roboczy

  • Indeks arkusza roboczego

  • Następny arkusz roboczy →