Лабораторная по физике №2, или почему сгорает предохранитель

В первой части лабораторной мы рассмотрели для чего нужны конденсаторы, в этой части мы поговорим о предохранителях и почему они сгорают. А всё началось с того, что однажды пришёл в гости старый знакомый и притащил усилитель с желанием выяснить, от чего при включении иногда сгорает сетевой предохранитель. Объяснял так – если усилитель имеет мощность 2х15 Вт, а в момент включения он ещё не играет музыку, то почему же иногда сгорает одноамперный предохранитель? Ведь один ампер – это 220 Вт потребляемой мощности! А раз сгорает – значит ещё больше! И почему «иногда», а не всегда?

Ну, что ж, молодец, школьную физику помнит. Давайте будем смотреть, что там в блоке питания происходит. Подключим компьютер как осциллограф с памятью и посмотрим, какой ток протекает в первичной обмотке…

Разбираем усилитель (рис.1), отцепляем от трансформатора все выпрямители и припаиваем к нему несколько резисторов по рисунку 2.

Рис.1

Рис.2

R1 и R2 – это делитель, ослабляющий напряжение сети примерно в 450 раз (точное значение зависит от входного сопротивления звуковой карты). Если вспомнить физику, то тестер при измерении сетевого напряжения 220 В показывает его эффективное (действующее) значение. Амплитудное же значение, т.е. максимальное, больше эффективного в 1,41 раз и, соответственно, достигает 311 В. Ах, да, у нас ведь с некоторых пор не 220 В в сети, а 230 В, а значит и амплитудное значение будет уже 324 В. Поделив это число на 450, получим 0,72 В – вполне нормальный уровень для подачи на вход звуковой карты.

Резистор R3 – датчик тока. По падению напряжения на нём можно судить об амплитуде и форме тока, протекающем в первичной обмотке трансформатора. Силу тока будем рассчитывать, разделив напряжение падения на сопротивление резистора.

Программа SpectraPLUS запущена, звуковая карта откалибрована, можно приступать к измерениям. Скриншот первого включения показан на рисунке 3. Здесь на верхнем графике (левый канал) – форма синусоиды сетевого напряжения (амплитуда напряжения на делителе соответствует расчетному значению), на нижнем (правый канал) – падение на R3.

Рис.3

Токовые импульсы очень малы, при таком масштабе почти никакой полезной информации не несут, поэтому для более детального рассмотрения на рисунке 4 показан скриншот с изменённым значением «Plot Top». Шкала оси ординат – плюс-минус 40 мВ.

Рис.4

И сразу возникает вопрос - а почему форма тока немного не симметрична? Отрицательная полуволна имеет выброс 17 мВ, положительная 10 мВ. Наверное, такое может быть, если в сети присутствует небольшое постоянное напряжение и тороидальный сердечник имеет некоторую намагниченность. В любом случае, форма тока в полуволнах на холостом ходу примерно одинакова, максимальное значение не превышает 17 мА и совпадает с переходом синусоиды сетевого напряжения через нулевое значение, ну, и начинается этот «пик» после перехода синусоидой любой из точек экстремума.

Теперь возвращаем программе значение «Plot Top» 0,9 В и смотрим, что происходит во время подачи напряжения на трансформатор (рис.5). В левом канале почти ничего не изменилось, а вот ток через обмотку имеет совсем другую амплитуду и форму. Максимальный уровень импульсов всё так же совпадает с переходом синуса через ноль, но сразу после подачи напряжения он во много раз больше, чем при последующей нормальной работе. Причём, как видно, «пики тока» появляются только при переходе синуса с положительной полуволны в отрицательную. Импульсов во время перехода из отрицательной в положительную полуволну совсем не заметно, зато заметно наличие какого-то постоянного отрицательного напряжения. Или, по крайней мере, медленно изменяющегося отрицательного напряжения. Все эти «неожиданности» через 0,1 секунды уменьшаются во много раз, и ещё через 0,1 секунды работу трансформатора уже можно считать нормальной.

Рис.5

Просматривая эту записей дальше, было видно, как большие импульсы ослабляются и постепенно становятся похожими на те, что показаны на рисунке 4, но в некотором промежутке времени они имеют обратную «асимметричность» - бОльшая амплитуда у импульсов в каждой положительной полуволне (рис.6). Что косвенно говорит о том, что всё-таки дело в намагниченности сердечника.

Рис.6

Затем была сделана запись из нескольких последовательных включений и выключений трансформатора (она в заархивированном виде находится в приложении к тексту). На рисунке 7 показаны моменты включений из неё. Кстати, на четвёртом сверху графике вообще нет спадающих импульсов, всё ровненько да гладенько…

Рис.7

Природа возникновения первого мощного импульса пока осталась невыясненной – ну, что ж, зима впереди долгая, время почитать теорию будет … Кстати, для того, чтобы полностью посмотреть его уровень, сигнал с резистора R3 пришлось ослабить в 10 раз. На рисунке 8 видно, что при очередном включении он был отрицателен и имел амплитуду около 4,7 В (надо учитывать делитель на 10), что говорит о протекающем в цепи токе 4,7 А.

Рис.8

Затем, для того чтобы убедиться, что эксперимент в принципе правилен и мы не «меряем температуру верхних слоёв воды в нижнем течении реки Янцзы», в схему был впаян другой трансформатор – ТН46 (рис.9) и с него также были сняты показания на холостом ходу. График на рисунке 10 показывает, что у ТН46 очень большой ток покоя – максимальное значение достигает 113 мА. В связи с этим и форма тока холостого хода отличается, но несимметричность полуволн также присутствует, хоть и меньшая. И мощные импульсы при включении никуда не делись.

Рис.9

Рис.10

Про «несимметричность» была ещё мысль, что, может быть, это сама звуковая карта неправильно оцифровывает, т.е. смещает уровни. Для проверки на её вход был подан синусоидальный сигнал с генератора звуковой частоты Г3-118 и сняты показания (рис.11). Некоторое смещение заметно, но оно очень мало по сравнению с предыдущими измерениями. Затем, на всякий случай, ещё были поменяны местами проводники левого и правого каналов, но ничего не изменилось.

Рис.11

Ну, да ладно, шут с ней, с этой несимметричностью, нас больше интересуют мощные токи. Переходим к измерениям с нагрузкой в виде усилителя. К одной из вторичных обмоток подключаем выпрямительный мост, фильтрующие конденсаторы и один из каналов усилителя (рис.12). Сигнал с резистора R3 берём через дополнительный делитель R4R5 на 10. Включаем, смотрим рисунок 13.

Рис.12

Рис.13

Ток в первичке изменил форму, но всё равно видно, что короткие импульсы, рассмотренные выше, присутствуют и стоят на своих местах, а также появились ещё импульсы синусоидального вида, спадающие по амплитуде. Вот это уже намного понятней и достаточно легко объясняется - так как они возникают синхронно с полуволнами входного сетевого напряжения и быстро спадают по уровню, то это импульсы заряда фильтрующих конденсаторов С1 и С2. Чтоб убедиться, достаточно одновременно с током через R3 посмотреть сигналы на плюсовой обкладке С1. Для этого к конденсатору надо припаять делитель на 100, а с него уже брать сигнал в карту (рис.14, верхний график – напряжение на С1, внизу – ток через R3). Верхний график, конечно, надо рассматривать как пульсирующее повышающееся постоянное напряжение, хотя на вид оно и уменьшается (постоянка не проходит через конденсатор на входе звуковой карты, а амплитуда пульсаций понижается, так как конденсаторы постепенно заряжаются). Но, тем не менее, видно, что увеличение тока в первичной обмотке связано с увеличением потенциала на конденсаторе.

Рис.14

Теперь посмотрим как изменится ток в первичке при подключении второго канала усилителя. Было проведено несколько включений, два из них показаны на рисунках 15 и 16. Максимальная амплитуда первого импульса при заряде конденсаторов ни разу не превышала 3,72 А – величина менялась в зависимости от того, на какое место сетевой синусоиды приходился момент включения. Тем не менее, количество «зарядных» импульсов, превышающих ток в 1 А было не менее 6, но и не более 7, и всё это длилось от 25 до 30 миллисекунд.

Рис.15

Рис.16

Мощный короткий импульс не всегда был виден, и сначала показалось, что он стал меньше по уровню, и даже сложилось впечатление, что это связано с увеличением нагрузки на трансформатор, но это было только впечатление и рисунок 16 его уверенно опровергает, показывая, что импульс есть и что он может достигать уровня в 4,5 А. Хотя, может быть, сложившееся впечатление и небезосновательно...

Вот, в общем-то, и всё. В конце экспериментов поставили в предохранительную колодку предохранитель на 2 А и полностью восстановили усилитель, подключив к трансформатору слаботочный двуполярный стабилизатор (виден на рисунке 1 – плата, лежащая поверх конденсаторов). Это никак не отразилось на импульсах тока, поэтому показывать графики не буду. Вместо этого приведу показания, снятые при работе усилителя с музыкальным материалом при мощности в нагрузке около 10-12 Вт (рис.17). Во время звучания ударных инструментов импульсы тока в первичке достигают уровня 0,48 А.

Рис.17

На рисунке 18 более подробно показан участок на 16,4 секунде (переход от тихого звука к громкому).

Рис.18

И на рисунке 19 он же ещё более подробно – видно изменение амплитуды и, соответственно, длительности импульсов тока во время роста потребляемой мощности. По времени они все попадают на середину полуволн сетевой синусоиды, т.е. энергия из сети забирается только во время, близкое к «макушкам» этих полуволн. Впрочем, как и во множестве других бытовых блоков питания, не имеющих индуктивности, но имеющих накопительные конденсаторы (заметные искажения «макушек» синусоиды на рисунках 3, 8, 13).

Рис.19

Напоследок хочется напомнить, что проводя эксперименты с «прямым» (гальваническим) подсоединением к сетевому напряжению 220 В, всю аппаратуру следует заземлять и, естественно, неукоснительно соблюдать правила техники безопасности при работе с электрическим током.

Андрей Гольцов, r9o-11, г. Искитим, октябрь 2015

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}