Исследование работы трансформатора встроенным в него паралельного колебательного контура

Районная научно-практическая

конференция «Новое поколение Курагинского района»

Секция: Физика. Энергоэффективность, ресурсосбережение.

Тема работы:

Исследование работы трансформатора встроенным в него параллельного колебательного контура

Выполнил: Грищенко Иван Геннадьевич

Курагинский район, с. Шалоболино,

МБОУ СОШ №18, 8 класс

Руководитель:

Борисов Е.В., учитель физики,

МБОУ СОШ №18

Курагино 2022

с. Шалоболино МБОУ Шалоболинская СОШ №18, 8 класс

«Исследование работы трансформатора со встроенным в него параллельным колебательным контуром»

Руководитель: Борисов Евгений Васильевич, учитель физики

Цель исследования:

Исследовать работу трансформатора при добавлении в него колебательного контура для получения дополнительных колебаний в момент, когда на первичной обмотке нет импульса.

Проблема: возможно ли повысить КПД трансформатора.

Гипотеза: предполагаю, что если внести дополнительную обмотку в трансформаторе для создания параллельного колебательного контура, то можно получить между двумя импульсами дополнительные колебания, которые поднимут КПД трансформатора.

Методы проведённых исследований:

Эксперимент, наблюдение, сравнение, анализ.

Задачи:

1. Познакомится с информацией о колебательных контурах

2. Изготовить модель трансформатора с дополнительной катушкой для параллельного колебательного контура и проверить его работу в режиме прямоугольных импульсов

3. Сравнить результаты измерений параметров трансформатора без колебательного контура и с колебательным контуром (напряжение, сила тока в режиме потребления).

4. Произвести расчеты кпд трансформатора с колебательным контуром и без него.

Введение

"Наш мир погружен в огромный океан энергии, мы летим в бесконечном пространстве с непостижимой скоростью. Всё вокруг вращается, движется - всё энергия. Перед нами грандиозная задача - найти способы добычи этой энергии. Тогда, извлекая её из этого неисчерпаемого источника, человечество будет продвигаться вперёд гигантскими шагами" Никола Тесла (1891)

       Современный мир ищет возможность заменить исчерпаемые ресурсы (Уголь, нефть, газ, уран) используемые для получения электричества на неисчерпаемые (Такие как ветряные генераторы, солнечные батареи, приливные электростанции и геотермальная энергетика). Европейская цивилизация разработала проект «Зелёная энергетика» до 2035 года перейти на новые виды получения электричества. В электросетях используется трансформаторы как понижающие, так и повышающие напряжение. Точно также они используются во многих бытовых приборах. Современная схемотехника стремится заменить трансформатор на электронные преобразователи источника питания. Но мне кажется исключать полностью трансформаторы — это будет ошибкой. У трансформаторов есть одно очень интересное свойство это КПД, который меняется в пределах от 40 до 95%, в случае просто трансформации. Главным условием улучшения КПД является качество намотки обмоток трансформатора и повышение качества магнитной связи между обмотками. Конечно, полностью убрать потери невозможно так как около 3% идут на преодоления сопротивления проводников и небольших тепловых потерь. В импульсных схемах есть время между импульсами, когда транзистор закрыт. А если вставить колебательный контур и настроить его так чтобы он продолжал колебания между двумя импульсами, то возможно мы получим дополнительную энергию на съёмной катушке, которая повысит КПД нашего трансформатора, а значит и КПД всей схемы тоже. Вот эту версию хочется проверить!

Содержание:

       Классический колебательный контур представляет собой катушку и конденсатор включенные параллельно. Если зарядить конденсатор и включить его параллельно катушке индуктивности, то можно наблюдать на осциллографе колебание электрического тока в виде затухающей синусоиды. (см. рис.1) Если поставить такой колебательный контур в трансформатор включенный в схему генератора прямоугольных импульсов, то можно повысить отдачу энергии во вторичную обмотку трансформатора, так как между двумя импульсами будет происходить дополнительные колебания энергии.

      Трансформатор–это техническое устройство, предназначенное для преобразования переменного тока, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз.

    Для того что бы проверить нашу гипотезу мы решили сделать испытательный стенд, в который входит трансформатор без сердечника из 3-х катушек, каждая из которых выполняет свою роль (см. таблица №1). Первая обмотка-необходима для создания коротких импульсов. Вторая обмотка- необходима для создания колебательного контура. Третья обмотка- съёмная для светодиода. (см. фото 1). Генератор прямоугольных импульсов, аккумулятор   на 12 вольт и измерительные приборы. Евгений Васильевич предложил готовый генератор прямоугольных импульсов, в котором используется катушка индуктивности для экономичного питания светодиодов. В генераторе можно менять время (длительность) открывания транзистора и время между двумя импульсами (частота импульсов), тем самым регулируя на самом деле потребление мощности всей схемы. (см. рис. 2).

Таблица №1 Параметры катушек трансформатора

	Диаметр катушки D, мм	Длина катушки L, мм	Толщина провода d, мм	Число витков N	Сопротив ление R, Ом
1 катушка - съём для осциллографа для светодиода	42 мм	710 мм	0,6	172+172+ 172	6 Ом
2 катушка -колебательный контур	47	710 мм	0,6 двойной провод	85+85	2,2 Ом
3 катушка – индуктор	57	710 мм	0,6 двойной провод	85+85	2.2 Ом

     При увеличении времени открывания транзистора потребление генератора увеличивается, при этом свечение светодиодов также возрастает. При увеличении частоты тоже происходит увеличение потребления генератора. Поэтому для наших исследований этот генератор как раз подойдёт, так как можно не только подбирать конденсатор для настройки нашего колебательного контура, но более точно подстроить самим генератором оптимальный режим.

     Для удобства исследования мы убрали трансформатор на ферритовом сердечнике, соответственно изменили подключение светодиодов и добавили наш трансформатор, который нам нужен для исследования нашей гипотезы. При этом трансформатор намотан без сердечника.  (см. рис.3)

Опыт №1. Для начала мы запишем параметры в таблицу №1, где будет отсутствовать колебательный контур (рис.№4). Проведем измерения параметров при двух разных длительностях открывания транзистора и одинаковых частотах генератора.

Таблица №1. Параметры с трансформатора без колебательного контура.

Частота генератора	Длительность импульса	Время между импульсами генератора	Частота на кол – м контуре	Напряжение потребления генератора	Ток потребления генератора	Напряже- ние на выходной обмотке	Сила тока Потребления на светодиоде
715Гц	119,82 мкс	1,95 mс	-	12,6 В	20 mA	3,92 В	2,2 mA
715Гц	39,94мкс	1,95mс	-	12,6В	12 mA	3,23 В	2 mA

   Если рассмотреть фото №1 и фото №2 видно, что при одной и той же частоте 715 Гц, но разной длительности открывания транзистора можно регулировать потребление всей схемы. При уменьшении длительности импульса с 119,82 мкс до 39,94 мкс уменьшается сила тока с 20 mA до 12 mA, а напряжение на выходной обмотке меняется с 3,92В до 3,23В. При этом сохраняем длительность между импульсами 1,95 mc. Можно обратить внимание, что расстояние между импульсами ничем не заполнено.

Опыт №2. Вставим дополнительную катушку в трансформатор и подключим набор конденсаторов к его концам, для того чтобы подобрать ёмкость конденсатора, при котором произойдёт наибольшее возрастание напряжения и тока на выходной обмотке трансформатора. (см. Рис.5) Измерения будем производить с помощью амперметра и вольтметра на нагрузке ввиде светодиода на сьёмной катушке. Электрические импульсы смотреть на осцилографе.(см.  Фото 3,4,5)

Таблица №2. Параметры трансформатора с включённым парцелльным колебательным контуром с ёмкостью 0,3 мкФ.

Частота генератора	Длительность импульса	Время между импульсами генератора	Частота на кол – м контуре	Напряжение потребления генератора	Ток потребления генератора	Напряжение на выходной обмотке	Сила тока на выходной обмотке	Емкость конденсатора
715 Гц	119,82 мкс	1,95 mс	3,8 кГц	12,6 В	22 mA	4,42 В	2,6 mA	0,3 мкФ
715 Гц	19,97 мкс	1,95 mс	726 Гц	12,6 В	11 mA	3,25 В	2 mA	0,3 мкФ
715 Гц	119,82 мкс	1,95 mс	3,93 кГц	12,6 В	23 mA	5,07 В	3,4 mA	3,4 мкф

Мы видим, что при включении конденсатора происходят изменения характеристик на выходной обмотке. Значит колебательный контур, в котором возбуждаются колебания, добавляет часть энергии на выходную нагрузку. Особенно сильно это видно при увеличении длительности открывания транзистора. При рассмотрении фото 3 и фото 4 видно, что амплитуда возрастает при увеличении длительности открывания транзистора.

 Таблица №3 Сравнение данных и расчёт КПД всей схемы

Напряжение потребления генератора	Ток потребления генератора	Напряжение на выходной обмотке	Сила тока на выходной обмотке	Емкость конденсатора	Мощность потребления схемы КПД всей схемы
12,6 В	20 mA	3,92 В	2,2 mA	нет	Pвх=0,252Вт Рвых=0,0086Вт КПД=3,45%
12,6В	12 mA	3,23 В	2 mA	нет	Рвх=0,151Вт Рвых=0,0065Вт КПД=4,3%
12,6 В	22 mA	4,42 В	2,6mA	0,3 мкФ	Рвх=0,277Вт Рвых=0,0115Вт КПД=4,15%
12,6 В	11 mA	3,25 В	2 mA	0,3 мкФ	Рвх=0,139Вт Рвых=0,0066Вт КПД=4,7%
12,6 В	23 mA	5,07 В	3,4 mA	3,4 мкф	Рвх=0,289Вт Рвых=0,017Вт КПД=5,88%

Теперь необходимо рассчитать на сколько увеличилось КПД нашей всей схемы  КПД=Рвых /Рвх*100%

Таблица №4. Сравнение полученных КПД при разных конденсаторах в параллельном колебательном контуре трансформатора.

Коэффициент полезного действия	Колебательный Контур с конденсатором С	Частота	Длительность Импульса открывания транзистора	Время между импульсами
КПД=3,45%	нет	715Гц	119,82 мкс	1,95 mс
КПД=4,15%	С=0,3 мкф	715Гц	19,97мкс	1,95 mс
КПД=4,7%	С=0,3 мкФ	715Гц	119,82 мкс	1,95 mс
КПД=5,88%	С=3,4 мкФ	715Гц	119,82 мкс	1,95 mс

Вывод: Из таблицы №4 видно, что при сравнении данных без колебательного контура и с колебательным контуром есть небольшой прирост КПД всей схемы. Наилучший результат получен при использовании конденсатора С=3,4 мкФ  и длительности импульса открывания транзистора 119,82 мкс. Это говорит о том, что наша гипотеза подтвердилась

Результат: в ходе моих исследований я научился: работать с информацией, паять, наматывать катушки для трансформатора, проводить измерения с помощью приборов, определять КПД,

Познакомился с работой  осциллографа на котором увидел как работает генератор электрических  импульсов.

Итог:

Моя гипотеза подтвердилась. При использовании в трансформаторе дополнительной катушки и конденсатора, которые включены как параллельный колебательный контур происходит добавление колебаний магнитного поля в момент отсутствия импульса тока на индукторе. Это даёт дополнительную энергию на выходную катушку, к которой подключён через диод и конденсатор светодиод.

Интернет-ресурс:

1.     https://yandex.ru/video/preview/?text=параллельный%20колебательный%20контур%20резонанс%20токов&path=wizard&parent-reqid=1635290860589004-3417966771008053018-vla1-4529-vla-l7-balancer-8080-BAL-4728&wiz_type=vital&filmId=8562164112731982725  -резонанс токов в параллельном колебательном контуре

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

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

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

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

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

7.