Тема уроку: трансформатор (11 клас)
Мета уроку:
· навчальна: знайомити учнів з будовою, основними характеристиками та принципом роботи трансформатора в різних режимах;
· розвивальна: навчати логічно міркувати, аналізувати сутність явищ та робити обґрунтовані висновки;
· виховна: демонструвати єдність природних процесів і явищ, гармонійний зв’язок законів природи, науки і техніки.
Тип уроку: комбінований
Обладнання уроку: трансформатор лабораторний (36/42В), джерело змінної напруги ВС-24, мультиметр DT-830B (або інший) , з’єднувальні проводи, вимикач, комп’ютерна програма Electronics Workbench.
Завдання уроку:
1. Ознайомити учнів з можливістю перетворення змінного струму (основне);
2. Ознайомити учнів з принципом випрямлення змінного струму (додаткове).
Хід уроку
План роботи:
1. Знайомство учнів з темою, метою та завданням уроку.
2. Знайомство з теоретичним матеріалом (самостійна робота учнів з підручником).
3. Дослідження основних характеристик трансформатора (експериментальна частина).
4. Знайомство з принципом випрямлення змінного струму (теоретична + експериментальна робота у віртуальному середовищі EWB)
Теоретична частина
Трансформатор – статичний пристрій, який перетворює змінний струм однієї напруги на змінний струм іншої напруги при незмінній частоті струму.
Трансформатор складається з котушок (обмоток) з різною кількістю витків на спільному осерді. Осердя виготовляється зі спеціальної трансформаторної сталі і може бути кількох видів (по формі). На рис.1 зображений трансформатор з П-подібним замкнутим осердям.
Рис.1
Одна з обомоток під'єднується до джерела змінного струму. Ця обмотка називається первинною. Інша обмотка, вторинна, служить джерелом струму для навантаження. Змінний струм у первинній обмотці створює змінний магнітний потік в осерді, який, в свою чергу, завдяки явищу електромагнітної індукції викликає появу е. р.с. у вторинній обмотці, оскільки обидві обмотки мають спільне осердя. Оскільки у кожному витку котушок наводяться однакові по величині е. р.с., то співвідношення сумарних е. р.с. у вторинній обмотці й первинній залежить від кількості витків у обох обмотках. В ідеальному випадку
.
Враховуючи, що вторинна обмотка розімкнута (це, так званий, режим холостого ходу), то U2=
, а U1=
(наближено). Тоді матимемо
,
де к – коефіцієнт трансформації. При к>1 трансформатор знижувальний, а при к <1 підвищувальний.
Якщо у вторинне коло трансформатора увімкнути навантаження, то у первинній обмотці з'явиться струм. Цей струм змінює магнітний потік, який, за правилом Ленца, повинен зменшити зміну магнітного потоку в осерді, що призведе до зменшення ЕРС індукції в первинній обмотці. Але ця ЕРС дорівнює напрузі, прикладеній до первиної обмотки, тому струм у первиній обмотці повинен зрости, відновлюючи початкову зміну магнітного потоку. При цьому збільшуеться потужність, яку споживає трансформатор від мережі.
Оскільки при роботі трансформатора відбуваються втрати енергії, то потужність, яка споживається первиною обмоткою, більша від потужності у вторинній обмотці. ККД трансформатора буде дорівнювати відношенню потужності Р2 вториної обмотки до потужності Р1 первиної обмотки:
ἠ=
Практична частина
І. Визначення коефіцієнта трансформації.
1. Розгляньте будову трансформатора
2. Визначте його первинну та вторинну обмотки.
3. Зберіть трансформатор та під’єднайте його до джерела змінної напруги (36В).
4. Користуючись мультиметром (межа 200В, ACV) виміряйте напругу U1 (між точками А і В рис.2) на первинній обмотці.
5. Виміряйте напругу U2 (межа 200В) на вторинній обмотці (UCD).
6. Обчисліть коефіцієнт трансформації к.
Рис.2
ІІ. Визначення коефіцієнта корисної дії трансформатора.
1. У вторинне коло ввімкніть опір навантаження (10 Ом).
2. Виміряйте силу струму силу струму та напругу в обох обмотках.
3. Обчисліть потужність струму в обмотках та ККД трансформатора.
4. Зробіть висновки.
ІІІ. Випрямлення змінного струму
1. Розгляньте мостову схему випрямлення змінного струму (рис.3б).
Принцип її дії можна розглянути на гідравлічній моделі ( рис. 3а). Коли поршень піднімають вгору вода тече через клапан 2-міст-3, а коли опускають – 4-міст-1. Аналогічно струм через навантаження R йтиме в одному напрямі. Слід, також, зауважити, що більшість випрямлячів створює не постійні, а пульсуючі однонапрямлені напругу та струм, для згладжування яких використовуються фільтри.
Рис.3
2. «Запустіть» EWB.
3. Засобами програми складіть схему 1 та спостерігайте осцилограму змінного струму.
4. Добавте у схему напівпровідниковий діод з вказаними параметрами та спостерігайте зміни, що відбуваються. Поясніть суть роботи діода користуючись отриманою осцилограмою(схема 2).
5. Складіть коло за схемою 3, використовуючи готову мостову схему у пункті меню діодів.
6. Порівняйте осцилограми 2 і 3 та зробіть висновок щодо випрямляючих можливостей одного діода та діодного містка.
7. Попрацюйте зі згладжувальним фільтром. Для цього почергово змінюйте номінал електролітичного конденсатора та навантаження на яке він працює.
8. Спробуйте отримати осцилограму напруги без фільтра у схемі.
9. Зробіть висновки.
Домашнє завдання: § 31, вправа 13(9,10) за підручником Є. В. Коршака
одаток 1
Схема 1
Схема 2
Схема 3
