Исследование работы трансформатора в импульсном режиме с использованием оборудования «Точка роста». 9 класс

РАЙОННАЯ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ

«НОВОЕ ПОКОЛЕНИЕ КУРАГИНСКОГО РАЙОНА»

Исследовательская работа:

Исследование работы трансформатора в импульсном режиме с использованием оборудования «Точка роста».

Секция: Физика

                                                             Выполнил:

                                                    Грищенко Иван Геннадьевич, 9 класс

                                                   Курагинский район, с. Шалоболино,

                    МБОУ СОШ №18

             Руководитель:

                                        Борисов Е. В. учитель физики

                   Тел: [phone]

                                        E-mail: [e-mail]

с. Шалоболино, 2023

с. Шалоболино МБОУ Шалоболинская СОШ №18, 9 класс

Исследование работы трансформатора в импульсном режиме с использованием оборудования «Точка роста».

Руководитель: Борисов Евгений Васильевич, учитель физики

Цель исследования: изготовление стенда для исследования работы трансформатора в импульсном режиме на базе лаборатории «Точка роста».

Проблема: В прошлом году я занимался исследованием трансформатора и хотел бы продолжить эту работу на новом школьном оборудовании, но у меня возникла проблема: отсутствие в элементной базе «Точка роста» транзисторов и трансформаторов, которые необходимы для полноценного изготовления исследовательского стенда.

Гипотеза: предполагаю, что, если внести в элементную базу «Точка роста» транзистор и трансформатор, то можно создать школьный стенд, для исследования работы трансформатора в импульсном режиме.

Актуальность: расширение элементной базы демонстрационного материала «Точка роста» с использованием транзисторов и трансформатора позволит более наглядно изучать тему «Электромагнитная индукция» и «Трансформатор» в курсе физики 10 класса, а также конструировать различные схемы с использованием транзисторов и трансформатора.

Методы проведённых исследований: эксперимент, наблюдение, сравнение, анализ.

Задачи:

1.     Познакомится с информацией об электрических схемах генераторов импульсов с использованием трансформаторов.

2.     Изготовить трансформатор на ферритовом сердечнике

3. Собрать установку (стенд) на элементной базе «Точка роста», с включением изготовленного трансформатора, транзистора и проверить его работу.

4. Провести исследования работы трансформатора на зависимость потребления тока и напряжения на вторичной обмотке а) от количества витков, б) от длительности импульса, в) от частоты импульсов.

5. Проанализировать результаты исследования и сделать выводы.

Содержание

      Большинство современных промышленных и бытовых приборов используют импульсную схемотехнику. Это решение помогает убрать громоздкие блоки питания с использованием трансформаторов на железных сердечниках. Импульсная схемотехника уменьшает габариты и вес изделия. Вместо железных сердечников трансформаторов применяются ферритовые малогабаритные сердечники, которые позволяют увеличить частоту тока в больших пределах. Ферритовые сердечники прекрасно себя зарекомендовали во время работы в импульсном режиме, при этом потребление на холостом ходу ниже, чем если бы использовался трансформатор, на железе который имеет частотные ограничения.

       В нашей школе появился кабинет «Точка роста» с современным оборудованием для проведения демонстраций физических опытов, а также исследовательских ученических работ. Так как в прошлом году начал изучать работу трансформатора поэтому было принято решение продолжить исследование трансформатора в импульсном режиме. Но для того, чтобы продолжить мои исследования на базе «Точка роста», необходимы транзисторы и трансформатор, которые не вошли в состав элементной базы оборудования.

      Считаю, что данная тема актуальна. Необходимо более расширенно показать возможности трансформации на уроках в школе, чтобы у обучающихся сложилось более расширенное представление.  Моё исследование поможет мне самому разобраться в достаточно непростом явлении работы магнитного поля и всем, кто увидит уже готовую демонстрационную установку.

        Для исследования работы трансформатора в импульсном режиме, я решил использовать  достаточно простую схему, которую нашёл в итернете.[3]

Это электрическая схема светодиодного фонарика приведена на рисунке №1, в которой используется импульсный генератор, построенный на трансформаторе. Для изготовления трансформатора использовал ферритовый сердечник от старого телевизора, а также был использован медный лакированный провод диаметром 0,56 мм. Схема включает в себя транзистор 2SC2335 (аналог КТ 805Г), конденсатор на 2200 мкФ *50В и 220 мкФ*на 50В, диод Шотки быстродействующий 1N5819, и выпрямительный диод HER108. Источник тока на 4,5В батарейка или блок постоянного и переменного тока на 24В. Для того чтобы собрать данную схему мне необходимо было изготовить трансформатор на ферритовом сердечнике.

Таблица №1. Характеристики изготовленного трансформатора

Вторичка	Марка провода	Кол-во витков	Сечение провода	Сопротивление провода	Марка ферритового сердечника
1 слой	ПЭЛ	52	0,56 мм	1,3 Ом	М2000
2 слой	ПЭЛ	50	0,56 мм	1,3 Ом	М2000
3 слой	ПЭЛ	48	0,56 мм	1,3 Ом	М2000
4 слой	ПЭЛ	46	0,56 мм	1.3 Ом	М2000
Первичка
1 слой	ПЭЛ	52	0,56мм	1,3 Ом	М2000

Для того чтобы исследовать работу трансформатора в импульсном режиме Евгений Васильевич предложил мне использовать генератор, который встроен в осциллограф.  Генератор позволяет менять частоту и длительность импульса. Поэтому было решено схему, взятую на рисунке №1 изменить, смотри рисунок №3. В новом варианте схемы мы внесли конденсатор в 1 мкФ на базу транзистора, для подключения генератора. Оставили один светодиод для контроля работы схемы. Указаны точки контроля для осциллографа Т1 для первого канала и Т2 для второго канала. Общий провод от осциллографа первого канала подцепляется к минусовому проводу источника тока, а второго к точке 4 трансформатора.  

Исследование №1

 Эксперимент №1. На генераторе задали импульсы прямоугольной формы, с частотой 5000 Гц (или 5кГц) и длительностью импульса 30 %. Источник тока батарейка на 4,5 В «КОСМОС». На вторичной обмотке трансформатора использовали в начале одну обмотку

Таблица №2 Результаты измерений на трансформаторе

Количество обмоток на вторичке трансформатора	Номер  Фото Осцилло- грамм	Длительность импульса в %	Напряжение в точке Т2 В	Частота Гц	Сила тока от источника питания мА
	№1	30 %	4,04 В	5000 Гц	112 мА
	№2	30 %	4,24 В	5000 Гц	134 мА
	№3	30 %	4,47 В	5000 Гц	156 мА
	№4	30 %	4,64 В	5000 Гц	171 мА

Эксперимент №2. Добавили вторую обмотку на вторичке. Провели измерения напряжения в точке Т2 при частоте 5 кГц и длительности импульса 30% смотри фото №2. Потребление тока измеряли мультиметром DT9202А.

Эксперимент №3. Добавили третью обмотку на вторичке и провел измерения. Результаты измерений занёс в таблицу №2 (смотри фото 3)

Эксперимент №4. Добавил на вторичку четвёртую обмотку и провёл измерения. Все результаты занёс в таблицу №2 (смотри фото 4)

Вывод №1: при увеличении количества слоёв вторичной обмотки трансформатора напряжение в точке Т2 и сила тока от источника питания увеличивается прямо пропорционально. При неизменной частоте генерации и длительности импульса. Четыре слоя на вторичной обмотке =196 виткам провода.

Исследование №2

     Следующий параметр, который можно исследовать это проверить зависимость силы тока потребления и напряжения на вторичной обмотке трансформатора, от изменения длительности прямоугольных импульсов. Генератор позволяет точно задать длительность импульса, а ток замерял с помощью мультиметра DT9202А. Напряжение импульсов снимал с осциллографа. Частоту импульсов задал 5000Гц. Результаты измерений занёс в таблицу №3.

Таблица №3 «Измерение потребления тока и напряжения на вторичной   обмотке с изменением длительности импульса»

Длительность	10%	15%	20 %	25%	30%	35%	40%	45%	50%
Потребление эл. тока   (мА)	21,5	27,7	35,4	50,1	65	80,7	94,5	110,6	126
Напряжение на точке Т2 (В)	2,98	3,48	3,98	4,47	4,97	5,47	5,97	6,46	6,96
Частота генерации (Гц)	5000	5000	5000	5000	5000	5000	5000	5000	5000

 Вывод №2: при увеличении длительности импульса потребление эл. тока и напряжение на вторичной обмотке трансформатора (в точке Т2) увеличивается. При количестве 196 витков на вторичной обмотке.

Исследование №3

    Наша установка позволяет определить зависимость силы тока потребления и напряжения на вторичной обмотке трансформатора от изменения частоты при заданной длительности в 30%. Результаты измерений занесены в таблицу №4

Таблица №4 «Измерение напряжения на вторичной обмотке и потребления тока с изменением частоты генерации от 1000 до 10000 Гц»

Частота (Гц)	1000	2000	3000	4000	5000	6000	7000	8000	9000	10000
Напряжение на входе (В)	4.2	4.2	4.2	4.2	4.2	4.2	4.2	4.2	4.2	4.2
Длительность импульса	30%	30%	30%	30%	30%	30%	30%	30%	30%	30%
Ток потребления (мА)	109,9	102,5	86,5	71	63	55	50	46,4	43	40
Напряжение на вторичной обмотке (В)	4,97	5,97	5,47	4,97	4,97	3,98	4,475	4,475	4,475	3,98

Вывод №3: при увеличении частоты генерации потребление тока и напряжение в точке Т2 уменьшаются, тот есть наблюдается обратная зависимость. При этом график напряжения имеет максимумы и минимумы.

Результат:

1)    Познакомился с информацией об электрических схемах генераторов импульсов с использованием трансформаторов.

2)    Изготовил трансформатор на ферритовом сердечнике

3)      Изготовил школьный стенд на основе лаборатории «Точка роста» с использованием транзистора и трансформатора, для исследования работы трансформатора в импульсном режиме, который отлично демонстрирует темы 10-го класса «Электромагнитная индукция» и «Трансформатор» на уроках физики.

4)    Оформил в виде таблиц и графиков результаты исследований. Провёл анализ и сделал выводы.

Перспектива

Считаю, что наличие транзисторов и трансформатора в элементной базе «Точка роста» расширяет круг возможностей конструировать различные схемы и проводить исследовательские работы. Практическая значимость трансформаторов не уменьшилась и в современном мире. Использование ферритового сердечника в трансформаторах: 1) уменьшило габариты приборов, 2) расширило круг применения трансформаторов в импульсных источниках питания, в преобразователях напряжения, светодиодных фонариках,

       В следующей работе хотелось проверить гипотезу, возможно ли с помощью явления самоиндукции в трансформаторе уменьшить потребление тока.

Интернет ресурс

1.     https://static.chipdip.ru/lib/660/DOC014660002.pdf характеристики  транзистора 2с2335

2.     https://elektrolife.ru/spravochnik/harakteristiki-osnovnyh-kitajskih-svetodiodov/ таблица светодиодов

3.     https://yandex.ru/video/preview/16549254845997753024 схема сверхэкономичного преобразователя для светодиодов

4.     https://ru.wikipedia.org/wiki/  Колебательный контур

5.       https://ru.wikipedia.org/wiki/ Трансформатор

6.     https://ofaze.ru/teoriya/kpd-transformatora Расчёт трансформатора и электрической цепи

7.     https://gerkon-market.ru/sovety/tajmer-555-shema-vklyucheniya.html Схема генератора прямоугольных импульсов на 555 микросхеме.

8.       https://supereyes.ru/catalog/oscilloscopes_digital/fnirsi_1014d/?yclid=4264865541673975807 инструкция работы осциллографа FNIRSI 10-14D

Приложение 1.

КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ

Дата	Вид деятельности	Полученный результат	Примечание
Сентябрь   2022г	Выбор темы. Работа с информацией о трансформаторах	Определился с темой. Создан библиографический список используемой информации
Октябрь 2022г	Покупка транзисторов и конденсаторов. Изготовление трансформатора.	Собрана модель трансформатора в экспериментальном варианте.
Ноябрь 2022г.	Изготовление установки на элементной базе «Точка роста»	Готовая установка для проведения исследования работы трансформатора
Ноябрь 2022г.	Проведены измерения различных параметров работы трансформатора	Заполнена таблица измерений.
Декабрь 2022г..	Начало оформления исследовательской работы	Оформлена в word  1 часть проектной работы
Январь 2023г.	Оформление учебно-исследовательской работы в соответствии с требованиями районной НПК «Новое поколение»	Создание электронной версии исследовательской работы «Исследование работы трансформатора в импульсном режиме с использованием оборудования «Точка роста»»
Январь 2023г.	Оформление презентации	Создание презентации на базе полученных результатов.
Январь 2023г.	Предварительное прослушивание	Выступление на предварительном прослушивании в Курагино
Февраль 2023г.	Подготовка к выступлению на районной конференции
Март 2023г.	Районная конференция в пос. Курагино СОШ №1