Efecte ale curentului electric
In materialul de fata ne propunem sa scoatem in evidenta unul dintre efectele curentului electric si sa-i vedem aplicatiile.
Facem urmatoarea experienta:
Suspendam un ac magnetic (de busola) pe un ac obisnuit, iar pe deasupra lui la o anumita distanta trecem un conductor electric. Aplicam la capetele conductorului o tensiune continua.
Schema circuitul arata astfel:
-ac magnetic;
-conductor electric;
-sursa de curent;
-bec(are rolul de a nu pune, prin conductor, sursa in scurt circuit).
La trecerea curentului prin conductor acul magnetic va devia intr-un sens. Daca vom schimba sensul curentului prin conductor inversand polaritatea la capetele cablului vom vedea ca acul deviaza in sens invers.
Cauza deviatiei acului magnetic este crearea unui camp magnetic in jurul conductorului (figura&video).
Pentru producerea campului magnetic nu se folosesc conductoare filiforme, ci bobine care reprezinta condu 17417q1619r ctoare rasucite sub forma de spirala pe un suport izolat numit carcasa. Campurile produse de fiecare spira se impreuneaza, astfel incat campul magnetic total al bobinei este mai puternic.
Intensitatea acestuia creste odata cu cresterea numarului de spire si a curentului prin bobina.
In figura alaturata (fig.1) este prezentata distributia liniilor campului magnetic creat. Se observa ca bobina strabatuta de un curent electric se comporta ca un magnet, avand polul sud in partea in care intra liniile de camp si polul nord in partea din care ies liniile de camp. Prin schimbarea sensului curentului prin bobina se schimba si sensul campului magnetic .
Variatia campului magnetic induce tensiuni electromotoare in toate conductoarele aflate in apropiere.
Fenomenul poarta denumirea de inductie electromagnetica. Daca doua bobine sunt orientate cu axele pe aceeasi linie ca in figura alaturata (fig.2). Curentul care trece prin bobina 1 creaza un camp magnetic ce strabate bobina 2. Daca intensitatea campului magnetic variaza, in bobina 2 se induce o tensiune electromotoare. Cauza aparitiei acestei tensiuni este efectul de inductie mutuala intre cele doua bobine. Daca fluxul magnetic intretaie toate spirele celei de-a doua bobine inductanta mutuala este maxima. Daca numai o parte a fluxului magnetic intretaie aceste spire inductanta mutuala este relativ mica. Aceste doua bobine care prezinta inductanta mutuala sunt cuplate inductiv. Pentru doua bobine cuplate se defineste coeficientul de cuplaj. Pentru un coeficient de cuplaj maxim(k=1) cele
doua bobine sunt cuplate strans, iar inductanta mutuala este maxima. Daca inductanta mutuala este mica se spune ca bobinele sunt cuplate slab.
Cuplajul maxim se realizeaza cand cele doua bobine au aceeasi axa, sunt bobinate spira peste spira. Cuplajul este minim cand axele sunt departe una de alta. Coeficientul de cuplaj maxim se realizeaza cand cele doua bobine sunt bobinate pe acelasi miez. Bobinele cu aer nu pot depasi un coeficient mai mare de 0,6 ś 0,7 si numai daca bobinele sunt bobinate una peste alta.
Cea mai importanta aplicatie a inductiei mutuale sunt transformatoarele.
Putem defini transformatorul astfel : este piesa electrica ce are proprietatea de a mari sau micsora tensiunea alternativa, puterea ramanand aproximativ egala. Indiferent de tipul transformatorului, principiile de functionare si partile componente sunt aceleasi.
Parti componente :
infasurarea primara, cea in care se aplica tensiunea de transformat;
infasurarea secundara, cea in care se obtine tensiunea transformata;
miezul, prin care se propaga liniile de camp;
carcasa in unele situatii poate lipsi).
Functionare:
Aplicandu-se la intrarea bobinei primare o tensiune alternativa, prin bobina va circula un curent ce va crea prin bobina si miez un flux magnetic. Liniile de forta ale fluxului magnetic se inchid ca in figura3, unele din ele strabatand bobina secundara. Prin inductia mutuala se va induce in aceasta un curent I2, iar la bornele ei va aparea o tensiune U2. Conditia obligatorie pentru aparitia curentului I2 este ca fluxul magnetic sa fie variabil. Aceasta conditie se indeplineste daca U1 este alternativ.
Conform legii lui Lenz, al carui enunt suna in felul urmator :
« Eu curentul cel indus
Totdeauna m-am opus
Cauzei ce m-a produs. ».
Curentul aparut in bobina secundara va avea sens contrar celui din bobina primara.
Grafic, se reprezinta ca in figura4.
Din cele prezentate pana aici putem concluziona :
practic o tensiune sau un curent de o anumita valoare se transforma in alta tensiune sau alt curent de alta valoare;
cele doua tensiuni, primara si secundara, se afla intr-un raport de proportionalitate numit raport de transformare si este egal cu raportul numarului de spire
U1 N1
n;
U2 N2
n= raport de transformare.
Calculele de dimensionare a transformatoarelor sunt destul de complexe; considerand ca tansferul de energie dintre primar si secundar se face fara pierderi, un astfel de transformator este considerat transformator ideal.
Neavand pierderi inseamna ca :
P1=P2 sau U1* I1= U2* I2
Deci avem
U1 I2 N1
= --- = n
U2 I1 N2
Se observa ca raportul tensiunilor este invers raportului curentilor.
Pentru a demonstra ca principala cauza ce duce la aparitia curentului si tensiunilor de inductie este fluxul magnetic variabil, facem urmatoarea experienta :
Luam o bobina de transformator fara miez si-i legam capetele la un instrument de masura. Daca in locul miezului introducem un magnet si-l tinem nemiscat , acul instrumentului de masura ramane nemiscat. Daca vom misca magnetul, vom observa deviatii ale acului instrumentului de masura.
Cu cat miscarea va fi mai rapida curentul de inductie va fi mai mare (fig.5&video1).
Sa vorbim in continuare despre principalele tipuri de miezuri si avantajele lor.
Pentru a obtine spatii intrefier cat mai mici aceste miezuri se tes.
Principalele tipuri de miezuri sunt :
- "cadrul" format din I-uri (fig.6&video2). Daca vom privi schema care reprezinta transformatorul observam ca o serie din liniile ce alcatuiesc fluxul magnetic se inchid prin aer; aceasta si existenta unui intrefier mare duc la cresterea pierderilor.
- "E+I" (fig.7&video3); pe mijlocul E-ului se realizeaza ambele bobine. Toate liniile ce alcatuiesc fluxul magnetic se inchid prin metal dar la imbinarea E-ului cu I-ul apare intrefierul, care duce la pierderi. Acest tip de tole prezinta avantaj la transformatoarele de iesire ale unor radiouri care necesita "intrefier".
- "manta" sunt tolele care asigura propagarea liniilor de forta ce alcatuiesc fluxul magnetic cu cele mai mici pierderi (fig.8&video4). Observam ca singurul intrefier este cel din dreptul mijlocului.
Aceste doua tipuri de tole folosite la realizarea miezurilor se tes , introducandu-se una dintr-un capat al boboinei,iar cealalta din capatul opus.
Se folosesc miezuri formate din tole si nu din fier masiv,deoarece in miez apar prin inductie curentii paraziti "FOCAULT" care sunt cu atat mai mari cu cat suprafata miezului este mai mare; acesti curenti produc pierderi in transformatori.
Atentie tolele sunt izolate intre ele.
Se mai folosesc miezuri toraidale (fig.9), in forme de E sau U constituite din ferita sau ferocart; acestea au o permeabilitate magnetica foarte mare.
Spre deosebire de celelalte tipuri de miez, acestea vin turnate direct pe dimensiunea miezului.
Calsificarea transformatoarelor:
Principalele tipuri de transformatoare folosite in electrotehnica sunt:
-ridicatoare de tensiune;
-coboratoare de tensiune;
-de separare.
Sunt folosite in transporturi de energie si tractiune la CFR (ridicatoare la sursa, coboratoare la consumator).
-cele coboratore de tensiune se folosesc la consumatorii casnici
-cele separatoare au raportul de transformare1:1 sunt impuse de protectia muncii in atelierele de reparatii pentru a evita accidentele prin electrocutare.
In radiotehnica sunt folosite la:
-alimentarea aparaturii (de alimentare);
-cuplaj (intre etaje);
-defazoare (la etajele de amplificare finala care lucreaza contratimp);
-transformatoare de iesire (fac adaptarea intre etajul final si difuzor).
Toate aceste transformatoare lucreaza in curent alternativ.
Alte tipuri de transformatoare mai simple cu o singura infasurare dar care au la baza acelasi principiu sunt denumite autotransformatoare.
Parti componente :
-miezul de fier;
-infasurarea;
-carcasa.
Vom vorbi in continuare doar de infasurare ,care difera de cea a transformatoarelor.
Infasurarea este calculata, pentru cea mai mare tensiune cu care lucreaza autotransformatorul pentru celelalte socotindu-se mediane. In figura10 prezentam un transformator ridicator de tensiune.
Tensiunea de transformat se aplica sectiunii A-B a infasurarii autotransformatorului, iar tensiunea rezultata in urma transformarii se culege intre punctele A si C.
Autotransformatorul coborator de tensiune (fig.11)
Tensiunea de transformat se aplica intre punctele A si C ale bobinei iar tensiunea transformata se obtine intre punctele A si B ale bobinei.
Observam ca la autotransformatoare pe o anumita portiune bobina primara este comuna cu bobina secundara.
In figura12 prezentam un autotransformator reglabil. Capatul C al bobinei este prevazut cu un cursor ce modifica numarul de spire, lucru ce duce la modificarea tensiunii secundare.
Transformatoare speciale
Pana acum am vazut cum se pot transforma tensiunile si curentii alternativi. Oare tensiunea si curentul continuu pot fi transformati?
Sigur ca da, dar pentru aceasta se folosesc transformatori speciali. Cel mai cunoscut si mai folosit este bobina de inductie. E folosita de autovehicule pentru producerea tensiunii necesare obtinerii scanteii folosita la apinderea carburantului in cilindru.
Constructie:
Pe un miez de fier de tip I se bobineza un conductor subtire din cupru(Φ 0,07 mm) pentru obtinerea inaltei tensiuni cu valoarea intre 24 si 30 kV. Capatul de inceput A' al acestei infasurari se leaga cu capatul de inceput A al infasurarii primare. Celalalt capat merge la bujie(4). Peste aceasta bobina, se bobineaza infasurarea primara, un conductor mai gros din cupru (0,5 - 1mm).
Inceputul acestei bobine A se leaga la baterie, iar capatul B se leaga la ruptor(3). Schema alaturata prezinta schema dupa care este conectata si functioneaza bobina.
Functionarea bobinei (fig.13):
De la + bateriei de acumulatori(1) prin contactul de pornire al autovehicolului(2) curentul ajunge la capatul infasurarii A-B, trece prin infasurare prin capatul B - contactele ruptorului la masa.
Cand se inchide contactul ruptorului(3), curentul prin circuitul primar creste de la 0 la maxim, atingand valoarea maxima ramane putin timp constanta, apoi cand contactul ruptorului se deschide curentul prin infasurarea A-B scade de la maxim la 0.
Pe timpul cresterii si descresterii valorii curentului din circuitul primar se creeaza fluxul magnetic variabil care duce la aparitia in secundar a inaltei tensiuni necesare strapungerii spatiului dintre electrozii bujiei.
Grafic, acest curent este prezentat in figura14.
Alte dispozitive pentru transformarea tensiunii continue sunt vibratoarele.
Din punct de vedere constructiv aceste dispozitive se compun din:
-un transformator;
-un vibrator.
Constructia transformatorului:
Singura deosebire dintre acesta si un transformator obisnuit este bobina primara.
Bobina primara este alcatuita dintr-o bobina (AB) cu mediana (M) care se leaga la masa. Bobina secundara este dimensionata pentru tensiunea necesara .
Schema (fig.15):
În pozitia de repaos releul (RL) are incluse urmatoarele contacte: 1-2 si 3-4. În aceasta situatie curentul prin primar va circula astfel: de la "+" bateriei(7) prin lamela(8) a releului, contactele 1-2, înfasurarea(6) a releului masa; apoi în continuare prin lamela(8) a releului, prin contactele 4-3, capatul A al sectiunii AM din bobina primara, punctul M, la masa, la "-" bateriei(7). Circulând prin înfasurarea electromagnetului(6) acesta se magnetizeaza, atrage lamela(8), care desface contactele 1-2, 4-3 si face contactele 4-5. În acest caz curentul va circula: de la "+" bateriei(7), lamela releului(8), contactele 4-5, sectiunea BM a înfasurarii primare, punctul M, la masa, la "-" bateriei.Nemai fiind alimentata bobina electromagnetului(6) acesta nu mai atrage lamela(8), desfacând contactele 4-5 si facând contactele 1-2, 3-4. Astfel ciclul se reia.
Observam ca prin bobina primara A-M-B curentul continuu circula exact ca un curent alternativ, deci creaza un flux magnetic variabil care induce în secundar o tensiune.
Dupa descoperirea tranzistorului, releul electromagnetic a fost înlocuit cu unul electronic. Astfel schema releului va fi cea prezentata în continuare.
Functionare (fig.16):
Circuitul 1 din releul electronic comanda cele doua tranzistoare T1 si T2. Astfel când T1 este deschis (conduce), T2 este blocat (nu conduce) si invers. Sa luam situatia când T1 este deschis si T2 blocat. Curentul se va închide astfel: de la "+" bateriei(3), jonctiunea emitor colector a tranzistorului T1, sectiunea AM a bobinei primare, masa, "-" bateriei(3).
Circuitul 1 comanda blocarea tranzistorului T1 si deschiderea tranzistorului T2. Acum curentul se va închide astfel: de la "+" bateriei(3), jonctiunea emitor colector a lui T2, sectiunea BM a înfasurarii primare, masa, la "-" bateriei(3). Procesul se repeta.
Observam ca bobina primara A-M-B se comporta ca si cum ar fi strabatuta de un curent alternativ, creând conditia necesara aparitiei unui curent în înfasurarea secundara. Avantajele vibratorului electronic fata de cel mecanic sunt:
-eliminarea pieselor în miscare;
-eliminarea contactelor mecanice;
-eliminarea zgomotelor (bâzâitul dat de lamela vibratorului mecanic);
-durata mare de functionare.
Aplicatii ale vibratorului:
-generatoare pentru apelul de inductor (G.A.I.) în centralele telefonice manuale de capacitate mijlocie si mare (pentru a face apel abonatului chemat, centralista învârtea manivela inductorului, cu ajutorul vibratorului face apel prin actionarea unei chei);
-obtinerea tensiunilor anodice pentru radioreceptoarele cu tuburi de pe autovehicule, statiile radio de putere mica si radioreceptoarele portative ale fortelor armate.
Autoinductia
Aratam la începutul lucrarii ca variatia câmpului magnetic induce o tensiune electromotoare în toate conductoarele aflate în apropiere prin inductie electromagnetica. O tensiune electromotoare se induce chiar si în conductorul care produce câmpul magnetic variabil, fenomenul purtând numele de inductie magnetica proprie sau autoinductie. Sensul tensiunii electromotoare induse este astfel încât curentul indus prin câmpul magnetic creat de el sa se opuna variatiei fluxului magnetic inductor (regula lui Lenz).
Dioda
Dioda este un dispozitiv care conduce un curent relativ mare când este polarizata direct si un curent neglijabil, practic nul în momentul când este polarizata invers.
Schema diodei (figura17):
Prin urmare o dioda conduce curent electric daca polul pozitiv al sursei de tensiune se leaga la anod si polul negativ se leaga la catod. Facând aceste precizari sa ne îndreptam atentia în alta parte. Odata cu aparitia dispozitivelor semiconductoare, gabaritele tehnicii electronice puteau fi reduse foarte mult. Cine se opuneau? Sursele de alimentare, transformatoarele având un gabarit mare. Acest inconvenient a fost înlaturat prin aparitia chopperelor.
Ce sunt aceste choppere? Sunt un fel de transformatoare care au la baza semiconductoarele.
Principiul de functionare:
Tensiunea de retea 220 V/50 Hz este redresata direct, obtinându-se o tensiune continua de circa 300V. Un circuit clasic, utilizând un comutator conectat în serie cu o inductanta, transforma energia de curent continuu în energie de impulsuri. Comutatorul lucreaza la o frecventa de 16 50 kHz .
În majoritatea montajelor, comutatorul este un tranzistor. Transferul de energie spre sarcina se poate realiza direct, caz în care comutatorul, inductanta si sarcina sunt legate în serie, sau indirect prin intermediul unui transformator de impulsuri si a unui redresor de impulsuri.
Stabilizatorul în comutatie cunoscut sub denumirea de chopper, se poate realiza într-o mare varietate de scheme electrice pornind de la 3 scheme de baza:
-chopper-ul asimetric cu un tranzistor comutator si transfer indirect de
energie sau tip fly-back;
-chopper-ul asimetric cu un tranzistor comutator si transfer direct de
energie sau tip forward;
-chopper-ul simetric cu 2 tranzistoare comutatoare, adaptate pentru puteri
foarte mari.
Chopper-ul fly back
Schema (fig.18):
Functionarea sistemului fly back implica prezenta transformatorului separator. Când T1 conduce, impulsul de curent a carui valoare creste de la 0 la maxim, trece prin bobina primara Lp , induce în bobina secundara un curent. Când tranzistorul se blocheaza, curentul ce trece prin Lp , scade de la maxim la 0. În bobina secundara Ls apare un curent alternativ. Alternanta negativa polarizeaza în sens invers dioda, deci aceasta este blocata si nu conduce. Alternanta pozitiva polarizeaza in sens direct dioda, prin urmare aceasta conduce, incarcand condesatorul CF , trece prin rezistenta de sarcina si se inchide la celalalt capat al bobinei.
Chopper-ul forward
Schema (fig.19):
Functionarea în sistem forward sau cu transfer direct de energie asigura obtinerea unei tensiuni de iesire pe un condensator electrolitic conectat dupa o inductanta (1 circuitul de comanda al tranzistorului).
Tranzistorul de comutatie T1 este comandat pe baza de impulsuri cu frecventa fixa. Cât timp tranzistorul T1 conduce tensiunea U0 va determina prin inductanta L1 un curent liniar I1, crescator în timp, care încarca CF. Din cauza autoinductiei în bobina L ia nastere un curent I1' care are sens contrar lui I1 deci ambele polarizeaza în sens invers dioda D2 care ramâne blocata. Când T1 este blocat curentul care circula prin bobina L scade de la maxim la 0. Datoria legii lui Lenz în bobina L apare un curent de auto inductie I1 " care se opune tendintei de scadere a lui I1 deci are acelasi sens cu el, polarizând în sens direct dioda D2 încarcând condensatorul CF. Pentru a arata ca sensul curentului de inductie depinde de sensul fluxului magnetic, va prezentam urmatoarea demonstratie (video5).
AUTORI
Dumitru Filip Sebastian
Munteanu Iulia - Florentina
Clasa a XI-a D
BIBLIOGRAFIE
Radioreceptia - Editura Albatros, Bucuresti, 1982,
pag.28-29
Manualul radioamatorului
incepator - Editura Tehnica, Bucuresti, 1989,
pag.63-66
Alimentarea televizoarelor
alb-negru si color - Editura Prometeu, Bucuresti, 1991,
pag.9-11
Cartea maistrului
radio - Editura Scl. Militara de Maistri si Subofiteri
"Gh.Lazar", Sibiu, 1974, pag.79-82
|
