Если разобраться по существу в многообразии промышленных и самостоятельно изготовляемых радиолюбителями источников питания, то напрашивается удивительный вывод. В основном встречаются такие источники, в которых применяются одни и те же (из большого многообразия находящихся в продаже) понижающие трансформаторы. Все эти трансформаторы, по сути, выполняют одну роль. Благодаря магнитной индукции часть напряжения на первичной обмотке трансформатора передается на вторичную обмотку. Род тока при этом не изменяется, а коэффициент трансформации зависит от сопротивления обмоток электрическому току, мощности нагрузки, подключенной к вторичной обмотке трансформатора и приложенному напряжению Uc (на первичной обмотке). Для понижающего трансформатора, применяемого в маломощном источнике питания, по-настоящему важны несколько ранее описанных электрических параметров.
На практике, один и тот же трансформатор выдает разное напряжение на вторичной обмотке, в зависимости от напряжения на первичной обмотке. Причем важно, чтобы частота в осветительной сети равнялась 50 Гц (с незначительными отклонениями). В обозначении трансформаторов частота обязательно указывается на их корпусе.
Это замечание актуально для трансформаторов, работающих в понижающем режиме, когда первичная обмотка имеет сопротивление электрическому току много большее, чем вторичная (и последующие, в случае если трансформатор имеет несколько обмоток). На практике, для того чтобы понять — годится ли трансформатор в качестве понижающего в цепи 220 В (когда неизвестны его справочные данные или обозначение на корпусе не читается), рекомендуется проверить обмотки омметром и определить обмотку с максимальным сопротивлением. Ее и подключают в сеть 220 В. Каких-либо жестких критериев сопротивления первичной (сетевой) обмотки нет, и ее сопротивление может достигать и 100 Ом, и например, 1 кОм — все зависит от мощности и предназначения трансформатора. Разумно заметить, что включать непосредственно в сеть 220 В переменного тока трансформатор с обмоткой до 10 Ом опасно. Для этого используются автотрансформаторы (включенные между напряжением 220 В и обмоткой экспериментального трансформатора) или балластные конденсаторы, о которых написано далее.
Радиолюбителям наверняка будет полезно знать, какие сетевые трансформаторы пользуются популярностью среди электронных конструкций, уверенно зарекомендовали себя с положительной стороны по безопасности и длительности (в режиме работы 24 часа на протяжении нескольких лет) эффективной работы. Для этого в табл. 5.1 для примера приводятся названия некоторых популярных трансформаторов, которые автор не раз использовал в своих электронных конструкциях.
Кроме трансформаторов, рассчитанных на частоту 50 Гц, есть и другие, разработанные соответственно для других целей. Например, это накальные трансформаторы на частоту 400 Гц, применяемые в военной промышленности и специализированных электронных устройствах. Радиолюбитель не должен их «сбрасывать со счетов», т. к. с помощью таких «неподходящих» трансформаторов можно изготовить не один десяток полезных устройств, в сфере преобразователей напряжения и источников питания. Эти трансформаторы на практике прекрасно себя зарекомендовали в устройствах преобразования и питания с частотой 380…1000 Гц в режиме нагрузки разной (в том числе максимальной) мощности.
Рассмотрим широко распространенный трансформатор ТА1-220-400.
Его можно применять как понижающий в осветительной сети 220 В 50 Гц в качестве основного элемента источника питания. Выходной ток источника питания невелик, — порядка 70 мА, однако из-за относительно высокого выходного напряжения (до 30 В) такой источник питания оказывается незаменим, например, для питания накальных индикаторов (например, ИВ-21) и в ряде аналогичных случаев.
На рис. 5.3 представлена электрическая схема источника питания, где в качестве понижающего трансформатора применен ТА1-220-400.
Как видно из схемы, она классическая, и ничего необычного в ней нет. Точками на схеме обозначены начала обмоток трансформатора, однако, для сборки схемы оказывается достаточно только правильно подключить их выводы. Данная схема может с успехом служить тому радиолюбителю, кто озаботится самостоятельным изготовлением маломощного источника питания с выходным напряжением 2,5 В (переменный ток) и 27–30 В (постоянный ток).
Оба напряжения будут полезны для испытания необычных конструкций. Так, например, напряжение 30 В (как переменного, так и постоянного тока) уместно использовать в лаборатории радиолюбителя при настройке телефонных аппаратов с функцией АОН (и не только). Этот сигнал будет имитировать сигнал звонка-вызова с телефонной линии и для настройки АОН (или другого телефона) намного безопаснее, чем сигнал с амплитудой в два раза большей (как в реальной телефонной линии). Кроме того, выходное напряжение 2,5 В удобно использовать для питания домашних часов-будильников (с питанием 1,5…3 В, добавив небольшую выпрямительную схему), тогда не придется постоянно покупать батарейки, а также для питания зарядного устройства дисковых аккумуляторов и элементов с таким же номинальным напряжением.
5.3.1. Особенности устройства
Главное в схеме — не перепутать подключение обмоток трансформатора Т1.
Эксплуатация трансформатора на 400 Гц в сети 220 В с частотой 50 Гц практически безопасна благодаря балластному конденсатору С1 и шунтирующему резистору R1, установленным последовательно с первичной обмоткой Т1. Неполярный конденсатор, включенный в цепь переменного тока, ведет себя как сопротивление, но, в отличие от резистора, не рассеивает поглощаемую мощность в виде тепла. Это позволяет сконструировать компактный (благодаря миниатюрным трансформаторам на 400 Гц) источник питания, легкий и относительно недорогой. Емкостное сопротивление конденсатора при частоте f описывается выражением:
ХС=1/2πfC,
где π — (пи), f (частота) — выражена в Гц, С— емкость конденсатора в фарадах. В том случае, когда напряжение на нагрузке не превышает 30 В, уместно также пользоваться формулой:
С = 3200 × (Iн: Uс).
В этой формуле емкость балластного конденсатора С1 рассчитана в микрофарадах, Uc — напряжение в сети 220 В, Iн — ток нагрузки в цепи (А).
Благодаря включению в данной схеме понижающего трансформатора, безопасность использования рекомендуемого источника питания многократно повышается (относительно бестрансформаторного источника при прочих равных условиях).
Изменением емкости балластного конденсатора С1 в данной схеме удается регулировать выходное напряжение источника питания, что весьма удобно. Таким же способом можно включать в сеть 220 В и другие трансформаторы с первичными обмотками, не рассчитанными для напряжения 220 В (с низковольтными первичными обмотками). Балластный конденсатор в этом случае подбирают так, чтобы при максимальном токе нагрузки выходное напряжение трансформатора соответствовало заданному.
Балластный конденсатор С1 в данной схеме используется на рабочее напряжение не менее 300 В (например, МБГЧ-1, МБГЧ-2, К73-11, К73-17 и аналогичный).
Диоды VD1, VD2 стабилизируют напряжение на выводах 13 и 16 трансформатора Т1. Если такая стабилизация не нужна, а скачки напряжения из-за отключения/подключения нагрузки в диапазоне ±20 % допустимы, то эти диоды можно из схемы исключить.
Оксидные конденсаторы С2 и С3 сглаживают пульсации напряжения на выходе выпрямителя, реализованного на диодном мосту VD3. Отвод от середины вторичной обмотки трансформатора ТА1-220-400 (вывод 10) позволяет получить постоянное (относительно общего провода) выходное напряжение 15 В. Если в таком решении необходимости нет, то подключение вторичной обмотки может быть ограничено только выводами 6 и 7 трансформатора Т1, диодным мостом VD3 и конденсатором С3.
На накальных трансформаторах (обозначение ТА, ТН), предназначенных для работы в электрических цепях с частотой 400 Гц, можно сделать эффективные преобразователи напряжения для питания, например, электробритвы, фотовспышки или маломощных ламп дневного света. Причем основным источником питания будет автомобильный (или иной) аккумулятор с током не менее 500 мА и напряжением не менее 10 В.
5.3.2. О деталях
Кроме указанного на схеме трансформатора подойдут также ТН30-220-400, ТН32-220-400, ТН36-220-400, ТН60-220-400. В этих случаях изменяется только мощность трансформатора (соответственно 30, 32, 36 или 60 Вт) без изменения схемы. А для трансформаторов типа ТН47-220-400, ТН48-220-400 дополнительно потребуется уточнить их цоколевку выводов.
Оксидные конденсаторы С2, С3 типа К50-24, К50-29 с рабочим напряжением не менее 50 В. Постоянный резистор R1 типа МЛТ-1 или аналогичный. Выпрямительный диодный мост VD3 типа КЦ405А — КЦ405Е (или аналогичный). Его также можно заменить четырьмя дискретными диодами типа Д220, КД105 (или аналогичными) с любым буквенным индексом.
Приложения
Приложение 1Техника безопасности при работе с радиоэлектронными устройствами и бытовой электротехникой
Требования по технике безопасности
Монтировать, обслуживать и эксплуатировать устройства, рассмотренные в этой книге и рекомендуемые к повторению, может только ответственный и квалифицированный радиолюбитель. К квалифицированному радиолюбителю могут быть отнесены лица, ознакомленные со всеми предупреждениями и замечаниями по безопасности, а также эксплуатационными и монтажными процедурами, изложенными в соответствующих инструкциях по охране труда и наставлениях (руководствах) по электробезопасности. К квалифицированным радиолюбителям относятся:
□ лица, прошедшие обучение и получившие полномочия на монтаж, обслуживание и эксплуатацию электро- и радиооборудования с учетом требований правил техники безопасности (ТБ);
□ лица, прошедшие обучение и способные использовать все необходимые защитные средства;
□ лица, прошедшие обучение и способные оказать пострадавшим от электрического тока первую (доврачебную) медицинскую помощь.
Надежная и безопасная работа рекомендуемых в книге устройств зависит от исправности радиокомпонентов, грамотной сборки, соблюдения правил выполнения монтажа (особенно в устройствах, где применяются полевые транзисторы с управляющим напряжением) и своевременного технического обслуживания (регламента) электронных устройств и систем.
Меры безопасности
Чтобы рекомендованные в книге устройства долго вам служили, необходимо соблюдать указания по технике безопасности.
Во избежание опасности возгорания и поражения электрическим током перед первым включением электрических устройств, питающихся от напряжения 220 В осветительной сети, а также после замены деталей, необходимо при отключенном напряжении внимательно осмотреть монтажную плату с элементами, проверить правильность соединений (в соответствии с электрической схемой).
Подавать питание можно только после того, как вы удостоверитесь в правильности монтажа. Все устройства и узлы, рекомендованные читателям в этой книге, проверены автором на полное соответствие стандартам безопасности.
Автор не несет ответственности за повреждения устройств и травмы, полученные вследствие неправильной эксплуатации рекомендованных конструкций.
Электрические свойства тела человека
Электропроводность — один из параметров, характеризующих жизненную деятельность живого существа. С возникновением живого организма любого вида начинаются биоэлектрические явления, которые прекращаются только после гибели живого существа. Человек не является исключением.
Тело человека представляет собой по своим электрофизическим свойствам соленый раствор (раствор электролита). Разные ткани тела человека характеризуются разной концентрацией раствора электролита и разным его составом, вследствие чего различаются по своим диэлектрическим свойствам (табл. П1.1).
Как любой проводник, тело человека можно охарактеризовать его электрической емкостью. Приближенно емкость любого проводника может быть рассчитана как емкость шара, имеющего такую же площадь поверхности.
Поскольку внутриклеточная жидкость содержит ионы и хорошо проводит электрический ток, то внутренние ткани тела человека обладают довольно низким сопротивлением. В целом же сравнительно высокое сопротивление тела человека электрическому току определяется в основном сопротивлением поверхностных слоев кожи (эпидермиса). Проводимость кожи в значительной степени зависит от ее состояния и осуществляется через потовые и сальные железы. Внутри тела человека ток разветвляется и проходит преимущественно вдоль протоков тканевых жидкостей (кровеносных сосудов, нервных стволов, лимфатических узлов).
Общее сопротивление тела человека постоянному току (от конца одной руки до конца другой) при сухой неповрежденной коже рук составляет 104…106 Ом и меньше.
По отношению к переменному току человеческое тело можно рассматривать как параллельно соединенные резистор и конденсатор. Постоянный ток идет только через резистор, и если активное сопротивление тела большое, то сила тока будет невелика. Переменный ток идет и через резистор, и через конденсатор. Так как резистор и конденсатор включены параллельно, их полное сопротивление меньше чисто активного сопротивления и сила тока при данном напряжении должна быть больше, чем в случае постоянного тока.
Сопротивление человеческого тела току различно для разных индивидуумов. Оно также зависит от состояния здоровья человека. Наличие алкоголя в крови заметно уменьшает сопротивление человеческого тела.
Встречаются люди с уникальными электрическими характеристиками.
Особенности поражения электрическим током
Поражение электрическим током опасно для здоровья и даже для жизни человека. Тяжесть поражения зависит от силы тока, продолжительности его действия и от того, по какому пути протекает ток в теле человека. Особенно чувствительны к действию тока мозг и сердце, т. к. возможны нарушения их деятельности. Интересно свойство слюны человека проводить электрический ток. Изготовленные из разных металлов коронки зубов человека могут сыграть роль электродов гальванического элемента, слюна — роль электролита. Такой необычный источник тока может питать микроприемник радиоволн, вмонтированный, например, в дупло зуба. Преимущество такого устройства в том, что оно всегда будет с вами.
Большинство людей реагируют на силу тока 10-30А. Сила тока в несколько миллиампер вызывает болевые ощущения, но не опасна для здоровья. При силе тока больше 10 мА происходит резкое сокращение мышц, и человек может оказаться не в состоянии освободиться от источника тока (например, неисправного прибора или провода). В этом случае возможна остановка дыхания; сделанное своевременно искусственное дыхание может вернуть человека к жизни.
Если ток свыше 70 мА проходит в области сердца, сердечная мышца начинает беспорядочно сокращаться, нарушается нормальное кровообращение.
Это явление называется фибрилляцией сердца; вовремя не прекращенная фибрилляция приводит к смерти. Начавшуюся фибрилляцию очень трудно остановить. Однако иногда значительно большая сила тока (порядка 1 А) к смертельному исходу не приводит. (По-видимому, при поражении сильным током происходит полная остановка сердца; после прекращения действия тока нормальная деятельность сердца возобновляется.) При еще большей силе тока (100 мА и более) происходит паралич органов дыхания и наступает мгновенная смерть. Нарушение электропроводимости центральной нервной системы, управляющей основными, жизненно необходимыми функциями человека, происходящее при этом, объясняется следующим образом. При очень низкой энергии связи между электроном и ядром в сложных полимерных органических молекулах ток порядка 10-6А, проходящий через тело человека при электротравме, выделяет энергию, на несколько порядков превышающую ту, что необходима для разрушения межмолекулярных связей.
Все рассмотренные ранее случаи протекания тока через тело человека осуществлялись по пути рука-рука или нога-рука. Это очень важно, т. к. любой другой путь для тока чреват более страшными исходами даже при более низких токах и напряжениях. Сейчас уже не подлежит сомнению существование на теле человека областей, наиболее уязвимых к току. К ним относятся тыльная сторона кисти, шея, висок, плечо, спина. При прохождении тока через эти участки тела человека смерть наступает от нарушения мозгового кровообращения.
Одной из самых опасных разновидностей электротравм является поражение так называемым шаговым напряжением, которое возникает в зоне оборвавшегося провода линий электропередач высокого напряжения, и может действовать на расстояниях сотен метров от упавшего провода на землю. Шаговое напряжение относительно Земли составляет 50 кВ и более.
Считается, что электротравмы со смертельным исходом составляют 10–15 % от общего количества травм с тяжким исходом. В мире общее количество погибших от электрического тока в год в среднем оценивается в 22…25 тыс. человек. Это число, конечно, существенно меньше числа людей, погибающих в автокатострофах за то же время. Но все же оно велико, и, чтобы предохраниться от поражения электрическим током, надо знать, какую опасность он представляет, а также выполнять в общем-то несложные правила безопасности. Сегодня электричество стало самостоятельной отраслью естественнонаучных знаний. Оно еще уготовит людям немало неожиданностей. Некоторые «сюрпризы» науки люди уже не могут предугадать. И контуры будущего, вырисовывающиеся уже сегодня, грандиозны.