Природа магнитострикции
Для объяснения этого явления кратко напомним о принципе работы электромагнитных приборов, преобразовывающих переменное напряжение, то есть трансформаторов. Его упрощенное изображение показано на рисунке 1.
Рисунок 1. Устройство трансформатора
Представленное на рисунке устройство состоит из первичной обмотки «А», вторичной -«В» и проходящего через них сердечника — «С», выполненного из тонких наборных железных пластин или другого материала с ферримагнитными свойствами.
Прохождение переменного напряжения через обмотку «А», приводит к образованию переменного магнитного поля «D» в сердечнике, способствующего появлению электрического тока в катушке «В». При этом частота тока остается неизменной, а величина напряжения зависит от соотношения количества витков между катушками.
Теперь напомним, что представляет собой магнитострикция. Это физический эффект приводящий к изменению линейных размеров и объема тела, через которое проходит магнитный поток. Наибольшим изменениям подвергаются сильномагнитные материалы, именно из них, в большинстве случаев, изготавливают сердечники трансформаторов. На рисунке 2 показана периодичность растяжения-сжатия сердечника на протяжении одного цикла изменения магнитного потока.
Рисунок 2. Изменение линейных размеров сердечника на протяжении одного цикла
Под воздействием линейных колебаний в прилегающем воздухе создаются звуковые волны соответствующей частоты. То есть, если в течение одного цикла сердечник растягивается-сжимается дважды, то при стандартной частоте сети переменного тока 50 Гц будут формироваться звуковые волны частотой 100 Гц. Это и есть характерный гул, который производит трансформатор при работе.
Учитывая вышесказанное можно объяснить, почему импульсный трансформатор неслышно при работе. Частота производимых звуковых колебаний этого устройства находится за границей восприятия человеческого уха.
Уровень шума напрямую зависит от следующих факторов:
- габаритные размеры устройства;
- величина нагрузки;
- структура и физические характеристики материала сердечника.
Учитывая перечисленные факторы, можно констатировать, что для устройств, работающих в бытовых приборах, повышенный уровень шума, скорее, исключение, чем правило. Это указывает на нештатную работу трансформатора, следовательно, необходимо найти и устранить неисправность.
Какой уровень шума нормален
Главная причина гудения трансформатора при его функционировании – явление магнитострикции. Этим термином обозначают изменение параметров ферромагнитного металла, на который воздействует переменное магнитное поле. Кроме явления магнитострикции, продуцировать шум способны вентиляторы охладительных систем и масляные насосы. При этом электромеханические устройства, которые регулируют напряжение выдаваемого тока под нагрузкой, также выступают источниками характерного гудения. Показатели шума, которые соответствуют норме, зависят от таких факторов:
- габариты – чем больше устройство, тем громче гул;
- физические свойства и структура материала сердечника;
- нагрузка – при ее завышении уровень шума устройства также возрастет.
Для силового трансформатора некоторый издаваемый им шум – нормальное рабочее состояние. К примеру – звук устройств, которые расположены на высоковольтных подстанциях и электростанциях, может быть слышен за несколько сотен метров. При функционировании экспериментального силового прибора, он станет гудеть так, что из соседней комнаты в панельном доме его будет хорошо слышно. При рассмотрении встроенного в какой-то прибор трансформатора, звук его работы будет едва заметен. Что касается импульсных устройств – бесшумность функционирования обеспечивают тем, что генерируемый ими звук просто вне пределов человеческого восприятия.
Сильно шумит силовой трансформатор, возможные причины
Если устройство свистит или гудит, хотя ранее работало нормально, то это может свидетельствовать о разошедшихся пластинах сердечника. В данном случае потребуется идеальный подгон железа, чтобы исключить зазоры, помимо этого обеспечить хорошую стяжку. Если трансформатор броневого типа, то сделать это можно при помощи обычного водопроводного хомута, затянув его по периметру сердечника, как показано на рисунке 3.
Рисунок 3. Стягивание сердечника при помощи червячного хомута
Когда устройство не только шумит, а и значительно нагревается, то такие признаки характерны при большой нагрузке по току. Причина может крыться как в самом трансформаторе (межвитковое замыкание), так и в проблемах цепи, питающегося от него устройства (например, утечка в электролитических конденсаторах).
Необходимо сразу предупредить, что произвести диагностику на предмет межвиткового замыкания, используя только мультиметр, довольно затруднительно. Но, при поверхностном осмотре обнаружить дефект, вполне возможно. КЗ между витками вызывает местный нагрев. Следствием этого может быть почернение, подтеки, подпалины, вздутие заливки, характерный запах сгоревшей изоляции и т.д.
Характерные следы межвиткового замыкания
Если визуальный осмотр не дал результатов, а в наличии из измерительных приборов только мультиметр, то проверить работоспособность устройства можно двумя способами:
- Измерить сопротивление первичной и вторичной обмотки, переведя прибор в режим мегомметра. После чего сравнить полученные значения с указанными в справочнике (если определен тип устройства). Расхождение в показателях более 50% свидетельствуют о межвитковом замыкании.
В тех случаях, когда установить штатное сопротивление обмотки не представляется возможным, вычислить его можно по сечению, типу провода и количеству витков. Как правило, эти параметры указаны на трансформаторе.
Также можно провести диагностику, имея в наличии аналогичное, заведомо рабочее устройство. В этом случае достаточно измерить сопротивление обмоток и сравнить их, расхождение не должно превышать 20%.
- Понижающий трансформатор иногда тестируют, включением в сеть, после чего проверяют напряжение на кабеле (подключенным к вторичной обмотке). Если после включения слышится треск или появляется дым, устройство необходимо сразу обесточить, такие признаки характерны при неисправности первичной обмотки.
Проводя измерения, следует проявлять осторожность, чтобы избежать контакта с токоведущими частями. Показания прибора должны соответствовать ожидаемым. Если напряжение на вторичной обмотке меньше необходимого на 20%, то это свидетельствует о межвитковом замыкании.
Гудят колонки, когда подносишь телефон
Динамики часто шумят и издают помехи, когда мобильное устройство получает СМС или вдруг он начинает звонить. Собственно, любая техника, у которой имеется антенна, приводит к возникновению подобных эффектов в динамиках. Но иногда их могут вызывать принтеры и даже настольные светильники. Попробуйте по одному отдалить потенциальные источники помех от компьютера и таким образом, сможете обнаружить виновника.
Постоянное гудение колонок, когда они включены, по большей части, нормальное явление. Не то чтобы так и должно быть, но это просто связано со схемотехникой звуковой платы и самих колонок. Происходит это из-за того, что если на звуковую карту не поступает питание, то она начинает ловить любые наводки от всего окружающего. Чтобы избавиться от этого необходимо заземлить корпус компьютера, снизить входное сопротивление у колонок примерно до 20 кОм.
Появление гула после перемотки
Если трансформатор перематывается в домашних условиях, то есть большая вероятность того, что при работе он будет издавать характерный шум. Это может быть связано со следующими причинами:
- неправильно собран или не подогнан магнитопровод. Наиболее часто такая проблема возникает после разборки-сборки Ш-образного сердечника. Как правильно собрать такой магнитопровод чтобы устранить проблему, расскажем чуть ниже;
- не закреплена катушка на сердечнике или неплотно намотаны обмотки. Исправить ситуацию можно плотно зафиксировав катушку, перемотав обмотку или пропитав ее парафином (парафиновая ванна). Последний вариант хорошо помогает в том случае, когда гудит тороидальный трансформатор;
- неверно произведен расчет обмоток. Как правило, в этом случае нагруженный трансформатор не только гудит, но и ощутимо нагревается. Для исправления проблемы потребуется проверка расчетов и перемотка с учетом исправленных ошибок.
Особенности проектирования трансформаторов звуковой частоты для ламповой радиотехники
Востребованность тс звуковой частоты обусловлена тем, что тут нет переходных конденсаторов. Устройства отличаются стабильной работой несмотря на возможные перебои с питанием и подачей напряжения, полоса расширена в сторону низких частот. Последний фактор обуславливает комфорт для человеческого уха, которое при средней громкости более чувствительно к низким и средним частотам.
Главная особенность проектирования состоит в том, что необходимо уменьшить будет усиление на самых низких частотах. Этого не достичь другим способами кроме как снизить индуктивное сопротивление первички.
Зная схематическое решение новичку желательно собрать устройство на монтажной плите. Колпачками закрываются лампы. Проверка работы вторичной обмотки проходит после сборки аппаратуры. Если возникает резкий свист или жужжание, то меняются местами выводы. Дроссели наматываются в соответствии со схемой. В большей части оборудования подойдет расчет только с зазоров. При этом размер зазора делается в строгом соответствии с необходимым, в противном случае параметры сильно отличаться, что не является верным.
Как правильно собрать Ш-образный сердечник, чтобы минимизировать шум трансформатора
Магнитопровод такого устройства состоит из двух типов пластин, они показаны на рисунке 5. Это Ш-образная пластина «А» и торцевая – «В».
Рисунок 5. Пластины Ш-образного сердечника
Чтобы снизить потери на вихревые токи каждая из пластин изолируется с одной стороны. Для этой цели их покрывают лаком или производят отжиг до появления окисла. Для уменьшения магнитного зазора и, как следствие, потери на магнитный поток рассеяния, после перемотки пластины следует устанавливать поочередно с каждой стороны. Как это делать продемонстрировано на рисунке 6.
Рисунок 6. Поочередная установка пластин
Собрав примерно половину сердечника, следует установить две Ш-пластины с одной стороны (без торцевых пластин) не задвигая их до конца. Далее продолжаем сборку, пока магнитопровод не будет набран на 2/3. В оставшейся части устанавливаем только Ш-пластины. В итоге останется около двух десятков торцевых вставок и несколько Ш-образных, которые уже не пролазят в каркас.
Оставшиеся вставки устанавливаем между двух выдвинутых на середине (см. рисунок 7) и осторожно забиваем их деревянной киянкой, стараясь не погнуть.
Рисунок 7. Установка в магнитопровод оставшихся пластин
На завершающем этапе сборки вставляем торцевые пластины.