Трансформатор — это устройство, которое представляет собой сердечник с двумя обмотками. На них должно быть одинаковое количество витков, а сам сердечник набирается из электротехнической стали.

На входе устройства подаётся напряжение, в обмотке появляется электродвижущая сила, которая создаёт магнитное поле. Через это поле проходят витки одной из катушек, благодаря чему возникает сила самоиндукции. В другой же возникает напряжение, отличающееся от первичного на столько раз, на сколько отличается число витков обеих обмоток.

Действие трансформатора происходит так:

• Ток проходит по первичной катушке, которая создаёт магнитное поле .
• Все силовые линии замыкаются возле проводников катушки. Некоторые из этих силовых линий замыкаются возле проводников другой катушки. Получается, что обе связаны между собой при помощи магнитных линий .
• Чем дальше расположены обмотки друг от друга, тем с меньшей силой возникает между ними магнитная связь, так как меньшее количество силовых линий первой цепляется за силовые линии второй.
• Через первую проходит переменный ток (который меняется во времени и по определённому закону), значит, магнитное поле, которое создаётся, тоже будет переменным, то есть меняться во времени и по закону.
• Из-за изменения тока в первой в обе катушки поступает магнитный поток, который меняет величину и направление .
  Происходит индукция переменной электродвижущей силы. Об этом говорится в законе электромагнитной индукции.
• Если концы второй соединить с приёмниками электроэнергии, то в цепочке приёмников появится ток. К первой от генератора будет поступать энергия которая равная энергии, отдаваемой в цепочку второй. Энергия передаётся посредством переменного магнитного потока .

Понижающий трансформатор необходим для преобразования электроэнергии, а именно для понижения её показателей, чтобы можно было предотвратить сгорание электротехники.

Порядок сборки и подключение

Несмотря на то, что данный прибор кажется на первый взгляд сложным устройством, его можно собрать самостоятельно. Для этого надо выполнить такие шаги:

Пример схемы подключения понижающего трансформатора 220 на 12 В:

Чтобы было легче наматывать катушки (на заводах для этого используют специальное оборудование), можно использовать две деревянные стойки, закреплённые на доске, и ось из металла, продетую между отверстиями в стойках. На одном конце следует металлический прутик изогнуть в виде рукоятки.

Простые советы о том, на работоспособность, читайте в следующем обзоре.

В 1891 г Никола Тесла разработал трансформатор (катушку), при помощи которого он ставил эксперименты с электрическими разрядами высоких напряжений. Как сделать трансформатор Тесла своими руками, узнайте .

Полезная и интересная информация о подключении галогенных ламп через трансформатор — .

Итоги

• Трансформатором называется прибор с сердечником и двумя катушками-обмотками . На входе прибора подаётся электроэнергия, которая понижается до необходимых показателей.
• Принцип работы понижающего трансформатора заключается в создании электродвижущей силы, которая создаёт магнитное поле . Витки одной из катушек проходят через это поле, и появляется сила самоиндукции. Ток изменяется, меняется его величина и направление. Энергия подаётся при помощи переменного магнитного поля.
• Такой прибор нужен для преобразования энергии, благодаря чему предотвращается сгорание электротехники и выход её из строя.
• Порядок сборки подобного устройства очень простой . Сначала следует сделать некоторые расчёты и можно приступать к работе. Чтобы можно было быстро и просто производить намотку катушек, необходимо сделать простое приспособление из доски, стоек и рукоятки.

В заключение предлагаем вашему вниманию ещё один способ сборки и подключения понижающего трансформатора с 220 на 12 Вольт:

Напряжение 12 Вольт используется для питания большого количества электроприборов: приемники и магнитолы, усилители, ноутбуки, шуруповерты, светодиодные ленты и прочее. Часто они работают от аккумуляторов или от блоков питания, но когда те или другие выходят из строя перед пользователем возникает вопрос: «Как получить 12 Вольт переменного тока»? Об этом мы расскажем далее, предоставив обзор наиболее рациональных способов.

Получаем 12 Вольт из 220

Наиболее часто стоит задача получить 12 вольт из бытовой электросети 220В. Это можно сделать несколькими способами:

1. Понизить напряжение без трансформатора.
2. Использовать сетевой трансформатор 50 Гц.
3. Использовать импульсный блок питания, возможно в паре с импульсным или линейным преобразователем.

Понижение напряжения без трансформатора

Преобразовать напряжение из 220 Вольт в 12 без трансформатора можно 3-мя способами:

1. Понизить напряжение с помощью балластного конденсатора. Универсальный способ используется для питания маломощной электроники, например светодиодных ламп, и для заряда небольших аккумуляторов, как в фонариках. Недостатком является низкий косинус Фи у схемы и невысокая надежность, но это не мешает её повсеместно использовать в дешевых электроприборах.
2. Понизить напряжение (ограничить ток) с помощью резистора. Способ не очень хороший, но имеет право на существование, подойдет, чтобы запитать какую-то очень слабую нагрузку, типа светодиода. Его основной недостаток – это выделение большого количества активной мощности в виде тепла на резисторе.
3. Использовать автотрансформатор или дроссель с подобной логикой намотки.

Гасящий конденсатор

Прежде чем приступить к рассмотрению этой схемы предварительно стоит сказать об условиях, которые вы должны соблюдать:

• Блок питания не универсальный, поэтому его рассчитывают и используют только для работы с одним заведомо известным прибором.
• Все внешние элементы блока питания, например регуляторы, если вы будете использовать дополнительные компоненты для схемы, должны быть изолированы, а на металлических ручках потенциометров надеты пластиковые колпачки. Не касайтесь платы блока питания и проводов для подключения выходного напряжения, если к ним не подключена нагрузка или если в схеме не установлен стабилитрон или стабилизатор для низкого постоянного напряжения.

Тем не менее, такая схема вряд ли вас убьёт, но удар электрическим током получить можно.

Схема изображена на рисунке ниже:

R1 – нужен для разрядки гасящего конденсатора, C1 – основной элемент, гасящий конденсатор, R2 – ограничивает токи при включении схемы, VD1 – диодный мост, VD2 – стабилитрон на нужное напряжение, для 12 вольт подойдут: Д814Д, КС207В, 1N4742A. Можно использовать и линейный преобразователь.

Или усиленный вариант первой схемы:

Номинал гасящего конденсатора рассчитывают по формуле:

С(мкФ) = 3200*I(нагрузки)/√(Uвход²-Uвыход²)

С(мкФ) = 3200*I(нагрузки)/√Uвход

Но можно и воспользоваться калькуляторами, они есть в онлайн или в виде программы для ПК, например как вариант от Гончарука Вадима, можете поискать в интернете.

Конденсаторы должны быть такими – пленочными:

Или такие:

Остальные перечисленные способы рассматривать не имеет смысла, т.к. понижение напряжения с 220 до 12 Вольт с помощью резистора не эффективно ввиду большого тепловыделения (размеры и мощность резистора будут соответствующие), а мотать дроссель с отводом от определенного витка чтобы получить 12 вольт нецелесообразно ввиду трудозатрат и габаритов.

Блок питания на сетевом трансформаторе

Классическая и надежная схема, идеально подходит для питания усилителей звука, например колонок и магнитол. При условии установки нормального фильтрующего конденсатора, который обеспечит требуемый уровень пульсаций.

В дополнение можно установить стабилизатор на 12 вольт, типа КРЕН или L7812 или любой другой для нужного напряжения. Без него выходное напряжение будет изменяться соответственно скачкам напряжения в сети и будет равно:

Uвых=Uвх*Ктр

Ктр – коэффициент трансформации.

Здесь стоит отметить, что выходное напряжение после диодного моста должно быть на 2-3 вольта больше, чем выходное напряжение БП – 12В, но не более 30В, оно ограничено техническими характеристиками стабилизатора, и КПД зависит от разницы напряжений между входом и выходом.

Трансформатор должен выдавать 12-15В переменного тока. Стоит отметить, что выпрямленное и сглаженное напряжение будет в 1,41 раз больше входного. Оно будет близко к амплитудному значению входной синусоиды.

Также хочется добавить схему регулируемого БП на LM317. С его помощью вы можете получить любое напряжение от 1,1 В до величины выпрямленного напряжения с трансформатора.

12 Вольт из 24 Вольт или другого повышенного постоянного напряжения

Чтобы понизить напряжение постоянного тока из 24 Вольт в 12 Вольт можно использовать линейный или импульсный стабилизатор. Такая необходимость может возникнуть, если нужно запитать 12 В нагрузку от бортовой сети автобуса или грузовика напряжением в 24 В. Кроме того вы получите стабилизированное напряжение в сети автомобиля, которое часто изменяется. Даже в авто и мотоциклах с бортовой сетью в 12 В оно достигает 14,7 В при работающем двигателе. Поэтому эту схему можно использовать и для питания светодиодных лент и светодиодов на транспортных средствах.

Схема с линейным стабилизатором упоминалась в предыдущем пункте.

К ней можно подключить нагрузку током до 1-1,5А. Чтобы усилить ток, можно использовать проходной транзистор, но выходное напряжение может немного снизится – на 0,5В.

Подобным образом можно использовать LDO-стабилизаторы, это такие же линейные стабилизаторы напряжения, но с низким падением напряжения, типа AMS-1117-12v.

Или импульсные аналоги типа AMSR-7812Z, AMSR1-7812-NZ.

Схемы подключения аналогичны L7812 и КРЕНкам. Также эти варианты подойдут и для понижения напряжения от блока питания от ноутбука.

Эффективнее использовать импульсные понижающие преобразователи напряжения, например на базе ИМС LM2596. На плате подписаны контактные площадки In (вход +) и (- Out выход) соответственно. В продаже можно найти версию с фиксированным выходным напряжением и с регулируемым, как на фото сверху в правой части вы видите многооборотный потенциометр синего цвета.

12 Вольт из 5 Вольт или другого пониженного напряжения

Вы можете получить 12В из 5В, например, от USB-порта или зарядного устройства для мобильного телефона, также можно использовать и с популярными сейчас литиевыми аккумуляторами с напряжением 3,7-4,2В.

Если речь вести о блоках питания, можно и вмешаться во внутреннюю схему, править источник опорного напряжения, но для этого нужно иметь определенные знания в электронике. Но можно сделать проще и получить 12В с помощью повышающего преобразователя, например на базе ИМС XL6009. В продаже имеются варианты с фиксированным выходом 12В либо регулируемые с регулировкой в диапазоне от 3,2 до 30В. Выходной ток – 3А.

Он продаётся на готовой плате, и на ней есть пометки с назначением выводов – вход и выход. Еще вариант — использовать MT3608 LM2977, повышает до 24В и выдерживает выходной ток до 2А. Также на фото отчетливо видны подписи к контактным площадкам.

Как получить 12В из подручных средств

Самый простой способ получить напряжение 12В – это соединить последовательно 8 пальчиковых батареек по 1,5 В.

Или использовать готовую 12В батарейку с маркировкой 23АЕ или 27А, такие используются в пультах дистанционного управления. В ней внутри подборка из маленьких «таблеток», которые вы видите на фото.

Мы рассмотрели набор вариантов для получения 12В в домашних условиях. Каждый из них имеет свои плюсы и минусы, различную степень эффективности, надежности и КПД. Какой вариант лучше использовать, вы должны выбрать самостоятельно исходя из возможностей и потребностей.

Также стоит отметить, что мы не рассмотрели один из вариантов. Получить 12 вольт можно и от блока питания для компьютера формата ATX. Для его запуска без ПК нужно замкнуть зеленый провод на любой из черных. 12 вольт находятся на желтом проводе. Обычно мощность 12В линии несколько сотен Ватт и ток в десятки Ампер.

Теперь вы знаете, как получить 12 Вольт из 220 или других доступных значений. Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео

Миф о ламповых усилителях.

Ламповый усилитель не может питаться напрямую от электрической сети.

Поэтому ставится преобразующий трансформатор 220 Вольт / …220 Вольт! Разумеется во вторичной обмотке бывает и больше 220, и меньше 220, в зависимости от выбора ламп и их режима. Но, согласитесь, довольно часто ламповые усилители запитываются от выпрямленного 220 В (т.е. постоянного 295…305 В – в зависимости, сколько у кого в розетке). Так, зачем в Hi-End аппаратуре, позиционирующей принцип “как можно меньше деталей в звуковом тракте” этот “лишний” элемент?!

Представьте себе на минутку (придержите контраргументы пока), какие плюсы появятся у такого лампового усилителя. Итак, наверное уменьшиться стоимость самого аппарата (прикидывайте на сколько, если усилитель, допустим средней мощности и класс “А”). Вес. Значительно облегчиться такой УМ. Свободного места станет больше – однозначно. Нет силового трансформатора – нет наводок! Аргумент весьма впечатляющий. У кого ламповые усилители имеют свойство “фонить” (пускай даже самую малость), согласятся, что без “фона” было бы лучше. Комфортнее, так сказать. Гудеть и греться станет нечему. Что ещё? Тогда самый “убойный” аргумент: ваш усилитель не будет зависить от запаса мощности этого самого силового трансформатора. В вашем распоряжении вся ближайшая подстанция! Динамика звука будет максимально возможная для данной схемы вашего усилителя.

Минутка прошла. Минусы. А вернее один минус, единственный, кстати. Но, минус с большой буквы – “Фаза”!! Опаснейшая штука для здоровья людей и самочувствия электроники. Однако, все пользуются компьютерами и ноутбуками. И в них имеется импульсные блоки питания, с пресловутым непосредственным питанием от электросети. Так там имеется “гальваническая развязка”, скажете вы. А кто Вам, простите, мешает поставить в Ваш ламповый усилитель эту самую “гальваническую развязку”. Кроме того, в любом ламповом усилителе она частично реализована. Не верите?! Вспомните выходной (звуковой) трансформатор. Сколько там вольт приходит на первичную обмотку? В среднем 300 Вольт, а то и больше. Но ведь никто не кричит “Нельзя!”. Ставят и успешно пользуются практически все владельцы ламповых усилителей. Надеюсь, логическую цепочку продолжать не стоит, на тему “как сделать гальваническую развязку всей схемы”, а не только по её “выходу”.

Для тех, кто сомневается в пользе “лишней детали, вносящей дополнительные фазовые/частотные и прочие искажения”, привожу рабочую схему такого вот усилителя:

Собственно, схема представляет собой “мостовое” включение двух идентичных усилителей. Этакий ОТЛ наоборот. Что это даёт? Снижаются требования к пульсациям питающего напряжения. Снижаются общие искажения, так как работающие в противофазе усилители компенсируют не только пульсации питающего напряжения, но собственные (вносимые каскадами) искажения. А так как выходной каскад выполнен по топологии “cascode circuit-SRPP – Shunt Regulated Push Pull (СРПП, каскад с ди-намической нагрузкой), то в выходном трансформаторе отсутствует постоянная составляющая (те пресловутые 300 Вольт анодного напряжения). Нет подмагничивания железа – нет специфических искажений, присущих классическим схемам. Во всяком случае, не надо применять специальные меры борьбы с этим вредным явлением. Что упрощает требования к выходному трансформатору. Кроме того, такая топология обещает лучшие качественные характеристики. Входной (драйверный) каскад так же выполнен “двухэтажным”. Драйверные каскады такого вида довольно часто применяются в ламповой технике. А вот в выходном каскаде значительно реже. Дело в том, что выходная мощность снимаемая с такого каскада -“каскода” в четыре раза ниже двух классически запараллеленных ламп. Поэтому, кого интересует КПД усилителя, в первую очередь (например фирм-производителей бытовой техники), а качество – во вторую, данная схемотехника не подойдёт по определнию. Тем не менее, максимальная выходная мощность у данного усилителя вполне достаточная, что бы раскачать даже АС с небольшой чувствительностью. И составляет 8 Вт. С акустическими же системами чувствительностью более 90 дБ/Вт/м это более чем достаточный запас. Напомню, что “ламповые Ватты” звучат несколько громче (если так можно выразиться), чем “транзисторные”.

Для того, что бы сигнал поступал в противофазе на вход усилителя использован наиболее симметричный из существующих видов Фазоинвертора – трансформатор. Его коэффициент трансформации выбран 1:2+2 под стандарт СиДи (2 В эфф.). Таким образом входной трансформатор выполняет три функции: является фазоинвертором, согласующим трансформатором и выполняет функцию…”гальванической развязки”. Вход усилителя представляет собой симметричную линию (балансное подключение).

Схема усилителя размещена в корпусе натурального дерева, который имеет лаковое покрытие. Отсутствуют какие либо экраны. Схема не нуждается в подстройке режимов или какой либо балансировке. Подбор пар (исправных) ламп не требуется. В драйвере использованы лампы 6Н9С. Тее, кто предпочитает “аналитическое-нейтральное” звучание более “музыкальному-ламповому” окрасу могут заменить эти лампы на 6Н8С (без изменения номиналов резисторов). Звук приобретёт “тот самый ламповый” оттенок звучания, который нравиться большенству пользователей музыкальных записей. Следует помнить, что коэффициент усиления ламп 6Н8С в два раза ниже 6Н9С, что приведет к уменьшению выходной мощности в два раза и составит 4 Вт. В выходном каскаде использованы “тугие” лампы 6Н13С всё той же “октальной” серии. Поэтому, оптимально начинать прослушивание музыки необходимо после 90 минут (!) после включения усилителя. Именно через такой промежуток времени усилитель начинает “звучать_как_надо”.

На фотографии представлен усилитель №5, выполненный по этой схеме. Вместо выходных ламп 6Н13С использованы 6Н5С. Выходная мощность -7,5 Вт (8 Ом).

Дополнительную информацию (намоточные данные согласующих трансформаторов и варианты применения готовых трансформаторов в качестве выходных и пр.) можно найти в журнале “Радиоконструтор” №2, за 2014 год, стр.6-9.

Трансформатор – устройство для передачи энергии из одной цепи в другую посредством электрической индукции. Он предназначен для преобразования величин токов и напряжений, для гальванического разделения электрических цепей, для преобразования сопротивлений по величине и для других целей.

Трансформатор может состоять из двух и более обмоток. Мы будем рассматривать трансформатор из двух разделенных обмоток без ферромагнитного сердечника (воздушный трансформатор), схема которого представлена на рис. 5.12.

Обмотка с зажимами 1-1’, присоединенная к источнику питания, – первичная, обмотка, к которой подключается сопротивление нагрузки , – вторичная. Сопротивление первичной обмотки , сопротивление вторичной – .

Уравнения трансформатора при принятой полярности катушек и направлении токов имеют вид:

- для первичной обмотки

Для вторичной обмотки

Входное сопротивление трансформатора

Обозначим активное сопротивление вторичной цепи

тогда уравнения можно переписать

(5.22)

Входное сопротивление трансформатора . Учитывая, что и подставляя в первое уравнение (5.21), получим, что

Таким образом, входное сопротивление трансформатора со стороны первичных зажимов состоит из двух слагаемых: – сопротивление первичной обмотки без учета взаимоиндукции, , которое появляется за счет явления взаимоиндукции. Сопротивление как бы добавляется (вносится) из вторичной катушки и поэтому называется вносимым сопротивлением.

Входное сопротивление идеального трансформатора.

Идеальным трансформатором (теоретическое понятие) называют такой трансформатор, в котором выполняются условия

(5.24)

При этом С определенной погрешностью такие условия можно выполнить в трансформаторе с сердечником с высокой магнитной проницаемостью, на который намотаны провода с малым активным сопротивлением.

Входное сопротивление этого трансформатора

(5.25)

Следовательно, идеальный трансформатор, включенный между нагрузкой и источником энергии, изменяет сопротивление нагрузки пропорционально квадрату коэффициента трансформации n.

Свойство трансформа­тора преобразовывать вели­чины сопротивлений широко используется в различных об­ластях электротехники, связи, радиотехники, автоматики и прежде всего с целью согласо­вания сопротивлений источ­ника и нагрузки.

Схема замещения трансформатора

Схема двухобмоточного трансформатора без ферромагнитного сердечника может быть изображена так, как это представлено на рис. 5.14. Токораспределение в ней такое же, что и в схеме на рис. 5.12 без общей точки между обмотками.

Произведем в схеме на рис. 5.14 развязку индуктивных связей. При этом получим схему замещения трансформатора (рис. 5.15), в которой отсутствуют магнитные связи.

Энергетические процессы в индуктивно связанных катушках

Дифференциальные уравнения воздушного трансформатора (рис. 5.15):

(5.25)

Умножим первое уравнение на , а второе – на :

(5.26)

Сложив эти уравнения, получим суммарную мгновенную мощность, которая потребляется от источника и расходуется в первичной и в вторичной обмотках трансформатора и в нагрузке

(5.27)

где – мгновенная мощность на нагрузке, ;

– мгновенная мощность, расходуемая на тепло в обмотках трансформатора, ;

– энергия магнитного поля обмоток трансформатора, .

Трехфазные генераторы.

Под трехфазной цепью (системой) понимают совокупность трехфазного источника (генератора), нагрузки и соединительных проводов.

Известно, что при вращении проводника в равномерном магнитном поле в нем наводится ЭДС

. (1.1)

Закрепим жестко на одной оси три одинаковые катушки (обмотки), смещенные относительно друг друга в пространстве на (120°) и начнем их вращать в равномерном магнитном поле с угловой скоростью w (рис. 1.1).

При этом в катушке A будет наводиться

Такие же значения ЭДС возникнут в катушках B и C, но соответственно через 120° и 240° после начала вращения, т.е.

(1.3)

Совокупность трех катушек (обмоток), вращающихся на одной оси с угловой скоростью w, в которых наводятся ЭДС, равные по модулю и сдвинутые друг от друга на угол 120° называют симметричным трехфазным генератором. Каждая катушка генератора – это фаза генератора. В генераторе на рис. 1.1 фаза B «следует» за фазой A, фаза C – за фазой B. Такая последовательность чередования фаз называется прямой последовательностью. При изменении направления вращения генератора будет иметь место обратная последовательность чередования фаз. Прямой последовательности на основании соотношений (1.2, 1.3) соответствует векторная диаграмма ЭДС, изображенная на рис. 1.2, а, для обратной – векторная диаграмма ЭДС на рис. 1.2, б.

В дальнейшем все рассуждения по расчету трехфазных цепей будут касаться только трехфазных систем с прямой последовательностью следования генераторных ЭДС.

График изменения мгновенных значений ЭДС при y = 90° представлен на рис. 1.3. В каждое мгновение алгебраическая сумма ЭДС равна нулю.

Крайним точкам катушек (обмоток) дают название конец и начало. Начала катушек обозначают A, B, C, концы соответственно X, Y, Z (рис. 1.4, а).

Фазные обмотки трехфазного генератора могут быть изображены в виде источников ЭДС (рис. 1.4, б).

В данной статье поговорим про бестрансформаторное электропитание.

В радиолюбительской практике, да и в промышленной аппаратуре источником электрического тока обычно являются гальванические элементы, аккумуляторы, или промышленная сеть 220 вольт. Если радиоприбор переносной (мобильный), то использование батарей питания себя оправдывает такой необходимостью. Но если радиоприбор используется стационарно, имеет большой ток потребления, эксплуатируется в условиях наличия бытовой электрической сети, то питание его от батарей практически и экономически не выгодно. Для питания различных устройств низковольтным напряжением от бытовой сети 220 вольт существуют различные виды и типы преобразователей напряжения бытовой сети 220 вольт в пониженное. Как правило, это схемы трансформаторного преобразования.

Схемы трансформаторного питания строятся по двум вариантам

1. «Трансформатор – выпрямитель — стабилизатор» — классическая схема питания, обладающая простотой построения, но большими габаритными размерами;

2. «Выпрямитель — импульсный генератор – трансформатор – выпрямитель – стабилизатор» — схема импульсного источника питания, обладающая малыми габаритными размерами, но имеющая более сложную схему построения.

Самое главное достоинство указанных схем питания – наличие гальванической развязки первичной и вторичной цепи питания. Это снижает опасность поражения человека электрическим током, и предотвращает выход аппаратуры из строя по причине возможного замыкания токоведущих частей устройства на «ноль». Но иногда, возникает потребность в простой, малогабаритной схеме питания, в которой наличие гальванической развязки не важно. И тогда мы можем собрать простую конденсаторную схему питания . Принцип её работы заключается в «поглощении лишнего напряжения» на конденсаторе. Для того, чтобы разобраться в том, как это поглощение происходит, рассмотрим работу простейшего делителя напряжения на резисторах .

Делитель напряжения состоит из двух резисторов R1 и R2 . Резистор R1 – ограничительный, или по другому называется добавочный. Резистор R2 – нагрузочный (Rн ), он же является внутренним сопротивлением нагрузки.

Предположим, что нам необходимо из напряжения 220 вольт получить напряжение 12 вольт. Указанные U2 = 12 вольт должны падать на сопротивлении нагрузки R2 . Это означает, что остальное напряжение U1 = 220 – 12 = 208 вольт должно падать на сопротивлении R1 .

Допустим, что в качестве сопротивления нагрузки мы используем обмотку электромагнитного реле, а активное сопротивление обмотки реле R2 = 80 Ом . Тогда по закону Ома, ток, протекающий через обмотку реле, будет равен: Iцепи = U2/R2 = 12/80 = 0,15 ампер . Указанный ток должен течь и через резистор R1 . Зная, что на этом резисторе должно падать напряжение U1 = 208 вольт , по закону Ома определяем его сопротивление:

R1 = UR1 / Iцепи = 208/0,15 = 1 387 Ом .

Определим мощность резистора R1: Р = UR1 * Iцепи = 208 * 0,15 = 31,2 Вт .

Для того, чтобы этот резистор не грелся от рассеиваемой на нём мощности, реальное значение его мощности необходимо увеличить в раза два, это приблизительно составит 60 Вт . Размеры такого резистора довольно внушительны. И вот здесь нам пригодится конденсатор!

Мы знаем, что любой конденсатор в цепи переменного тока обладает таким параметром, как «реактивное сопротивление» — сопротивление радиоэлемента изменяющееся в зависимости от частоты переменного тока. Реактивное сопротивление конденсатора определяется по формуле:

где п – число ПИ = 3,14, f – частота (Гц), С – ёмкость конденсатора (фарад).

Заменив резистор R1 на бумажный конденсатор С , мы «забудем» что такое резистор внушительных размеров.

Реактивное сопротивление конденсатора С должно приблизительно равняться ранее рассчитанному значению R1 = Хс = 1 387 Ом .

Преобразовав формулу заменив местами величины С и Хс , мы определим значение ёмкости конденсатора:

С1 = 1 / (2*3,14*50*1387) = 2,3*10 -6 Ф = 2,3 мкФ

Это может быть несколько конденсаторов с требуемой общей ёмкостью, включенных параллельно, или последовательно.

Схема бестрансформаторного (конденсаторного) питания будет выглядеть следующим образом:

Но изображённая схема работать будет, но не так как мы планировали! Заменив массивный резистор R1 на один, или два малогабаритных конденсатора, мы выиграли в размерах, но не учли одно — конденсатор должен работать в цепи переменного тока, а обмотка реле – в цепи постоянного тока. На выходе нашего делителя переменное напряжение, и его необходимо преобразовать в постоянное. Это достигается вводом в схему диодного выпрямителя разделяющего входную и выходную цепь, а так же элементов сглаживающих пульсацию переменного напряжения в выходной цепи.

Окончательно, схема бестрансформаторного (конденсаторного) питания будет выглядеть следующим образом:

Конденсатор С2 — сглаживающий пульсации. Для исключения опасности поражения электрическим током от накопленного напряжения в конденсаторе С1 , в схему введен резистор R1 , который шунтирует конденсатор своим сопротивлением. При работе схемы он своим большим сопротивлением не мешает, а после отключения схемы от сети, в течение времени, определяемого секундами, через резистор R1 происходит разряд конденсатора. Время разряда определяется обыкновенной формулой:

Для того, чтобы следующий раз не делать все вышеперечисленные расчёты, выведем окончательную формулу расчёта ёмкости конденсатора схемы бестрансформаторного (конденсаторного) питания. При известных значениях входного и выходного напряжения, а также сопротивления R2 (оно же — сопротивление нагрузки Rн ), значение сопротивления R1 находится в соответствии с пунктом 3 статьи «Делитель напряжения «:

Объединив две формулы, находим конечную формулу расчета ёмкости конденсатора схемы бестрансформаторного питания:

где Rн Р1 .

Учитывая, что при работе в переменном напряжении в конденсаторе происходят перезарядные процессы, а также сдвиг фазы тока по отношению к фазе напряжения, необходимо брать конденсатор на напряжение в 1,5…2 раза больше того напряжения, которое подаётся в цепь питания. При сети 220 вольт, конденсатор должен быть рассчитан на рабочее напряжение не менее 400 вольт .

По указанной выше формуле можно рассчитать значение ёмкости схемы бестрансформаторного питания для любого устройства, работающего в режиме постоянной нагрузки. Для работы в условиях переменной нагрузки, меняется также ток и напряжение выходной цепи. Для стабилизации выходного напряжения обычно применяют стабилитроны, или эквивалентные транзисторные схемы, ограничивающие выходное напряжение на необходимом уровне. Одна из таких схем показана на рисунке ниже.

Вся схема включена в сеть 220 вольт постоянно, а реле Р1 включается в цепь и выключается с помощью выключателя S1 . В качестве выключателя может быть и полупроводниковый прибор, например транзистор. Транзисторный каскад VT1 включен параллельно нагрузке, он исключает увеличение напряжения во вторичной цепи. Когда нагрузка отключена, ток течёт через транзисторный каскад. Если бы этого каскада не было, то при отключении S1 и отсутствии другой нагрузки, на выводах конденсатора С2 напряжение могло бы достигнуть максимального сетевого – 315 вольт.

Стоит отметить, что при расчёте схем автоматики с реле, необходимо учитывать, что напряжение срабатывания реле, как правило, равно его номинальному (паспортному) значению, а напряжение удержания реле во включенном состоянии приблизительно в 1,5 раза меньше номинального. Поэтому, рассчитывая схему, изображённую выше, оптимально вести расчёт конденсатора для режима удержания, а напряжение стабилизации сделать равным номинальному (или чуть выше номинального). Это позволит работать всей схеме в режиме меньших токов, что повышает надёжность. Таким образом, для расчета емкости конденсатора С1 в схеме с коммутируемой нагрузкой, параметр Uвх мы берём равным не 12 вольт, а в полтора раза меньше – 8 вольт, а для расчёта ограничительного (стабилизирующего) транзисторного каскада – номинальное 12 вольт.

С1 = 1 / (2 * 3,14 * 50 * ((220 * 80) / 8 – 80)) = 1,5 мкФ
В качестве стабилизирующего элемента при малых токах можно использовать стабилитрон. При больших токах стабилитрон не годится – слишком малая у него рассеиваемая мощность. Поэтому в таком случае оптимально использовать транзисторную схему стабилизации напряжения. Расчёт стабилизирующего транзисторного каскада основан на использовании порога открытия биполярного транзистора, при достижении напряжения база-эмиттер 0,65 вольта (на кристалле кремния). Но учтите, что для разных транзисторов это напряжение колеблется в пределах 0,1 вольта, не только по типам, но и по экземплярам транзисторов. Поэтому напряжение стабилизации на практике может немного отличаться от рассчитанного значения.
Расчёт делителя смещения каскада стабилизации проводится всё по тем же формулам делителя напряжения, при известных Uвх.дел. = 12 вольт , Uвых.дел. = 0,65 вольт и токе транзисторного делителя, который должен быть приблизительно в двадцать раз меньше тока протекающего через ёмкость С1 . Этот ток легко найти:

Iдел. = Uвх.дел. / (20*Rн) = 12 / (20 * 80) = 0,0075 ампер ,
где Rн – сопротивление нагрузки, в нашем случае это – сопротивление обмотки реле Р1 , равное 80 Ом .

Номиналы резисторов R1 и R2 определяются по формулам, ранее опубликованным в статье «Делитель напряжения «:

,

где Rобщ – общее сопротивление резисторов делителя смещения транзистора VT1 , которое находится по закону Ома:

Итак: Rобщ = 12 / 0,0075 = 1600 Ом ;

R3 = 0,65 * 1600 / 12 = 86,6 Ом 82 Ом ;

R2 = 1600 – 86,6 = 1513,4 Ом , по номинальному ряду, ближайший номинал – 1,5 кОм .

Зная падение напряжения на резисторах и ток делителя, не забудьте рассчитать их габаритную мощность. С запасом, габаритную мощность R2 выбираем в 0,25 Вт, а R3 – в 0,125 Вт. Вообще, вместо резистора R2 лучше поставить стабилитрон, в данном случае это может быть Д814Г, КС211(с любым индексом), Д815Д, или КС212(с любым индексом). Я научил вас рассчитывать резистор намеренно.

Транзистор выбирается также с запасом падающей на его переходе мощности. Как выбирать транзистор в подобных стабилизирующих каскадах, хорошо описано в статье «Компенсационный стабилизатор напряжения «. Для лучшей стабилизации, возможно использование схемы «составного транзистора».

Думаю, что статья своей цели достигла, «разжёвано» всё до каждой мелочи.