Определение кз витков. Прибор для определения короткозамкнутых витков в катушках

Если в Вашей школе физику преподавали хорошо, то, наверняка, Вам запомнился опыт, наглядно объяснявший явление электромагнитной индукции.

Внешне это выглядело примерно так: учитель приходил в класс, дежурные приносили какие-то приборы и расставляли на столе. После объяснения теоретического материала начинался показ опытов, наглядно иллюстрирующий рассказ.

Для демонстрации явления электромагнитной индукции требовались весьма значительных размеров, мощный прямой магнит, соединительные провода и прибор под названием гальванометр.

Гальванометр внешним видом представлял собой плоский ящик размером чуть побольше стандартного листа формата А4, а за передней стенкой, закрытой стеклом помещалась шкала с нулем посередине. За этим же стеклом можно было увидеть толстую черную стрелку. Все это было достаточно различимо даже с самых последних парт.

Выводы гальванометра с помощью проводов соединялись с катушкой, после чего внутри катушки просто рукой перемещался вверх - вниз магнит. В такт перемещениям магнита из стороны в сторону перемещалась стрелка гальванометра, что свидетельствовало о том, что через катушку протекает ток. Правда, уже после окончания школы, один знакомый учитель физики рассказывал, что на задней стенке гальванометра имелась потайная ручка, которой от руки приводилась в движение стрелка, если опыт не удавался.

Сейчас такие опыты кажутся простыми и почти не заслуживающими внимания. Но электромагнитная индукция теперь применяется во многих электрических машинах и приборах. В 1831 году ее изучением занимался Майкл Фарадей.

В то время еще не было достаточно чувствительных и точных приборов, поэтому ушло немало лет на то, чтобы догадаться, что магнит должен ДВИГАТЬСЯ внутри катушки. Пробовались различной формы и силы магниты, намоточные данные катушек также менялись, магнит к катушке прикладывался по-разному, но только переменный магнитный поток, достигнутый движением магнита, привел к положительным результатам.

Исследованиями Фарадея было доказано, что электродвижущая сила, возникающая в замкнутой цепи, (катушка и гальванометр в нашем опыте) зависит от скорости изменения магнитного потока, ограниченного внутренним диаметром катушки. При этом абсолютно безразлично, каким образом происходит изменение магнитного потока: то ли за счет изменения магнитного поля, то ли за счет перемещения катушки в постоянном магнитном поле.

Самое интересное в том, что катушка находится в собственном магнитном поле, созданном протекающим через нее током. Если в рассматриваемом контуре (катушка и внешние цепи) ток будет по каким-либо причинам изменяться, то будет изменяться и магнитный поток, вызывающий ЭДС.

Подобная ЭДС носит название ЭДС самоиндукции. Изучением данного явления занимался замечательный русский ученый Э.Х. Ленц. В 1833 году он открыл закон взаимодействия магнитных полей в катушке, приводящий к самоиндукции. Этот закон известен теперь как закон Ленца. (Не путать с законом Джоуля - Ленца)!

Закон Ленца говорит о том, что направление индукционного тока, возникающего в проводящем замкнутом контуре таково, что он создает магнитное поле, противодействующее изменению того магнитного потока, которое вызвало появление индукционного тока.

При этом катушка находится в собственном магнитном потоке, который прямо пропорционален силе тока: Ф = L*I.

В этой формуле присутствует коэффициент пропорциональности L, также называемый индуктивностью или коэффициентом самоиндукции катушки. В системе СИ единица измерения индуктивности называется генри (Гн). Если при силе постоянного тока 1А катушка создает собственный магнитный поток 1Вб, то такая катушка обладает индуктивностью в 1Гн.

Подобно заряженному конденсатору, имеющему запас электрической энергии, катушка, через которую протекает ток, обладает запасом магнитной энергии. За счет явления самоиндукции, если катушка включена в цепь с источником ЭДС, при замыкании цепи ток устанавливается с задержкой.

В точности так же он не сразу прекращается при отключении. При этом на выводах катушки действует ЭДС самоиндукции, значение которой значительно (в десятки раз) превышает ЭДС источника питания. Например, подобное явление используется в катушках зажигания автомобилей, в строчных развертках телевизоров, а также в стандартной схеме включения люминесцентных ламп. Это все полезные проявления ЭДС самоиндукции.

В некоторых случаях ЭДС самоиндукции носит вредный характер: если транзисторный ключ нагружен обмоткой катушки реле или электромагнита, то для защиты от ЭДС самоиндукции параллельно обмотке устанавливают защитный диод полярностью обратной ЭДС источника питания. Это включение показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Защита транзисторного ключа от ЭДС самоиндукции.

Часто возникают сомнения, а нет ли в трансформаторе или обмотках двигателя короткозамкнутых витков? Для подобных проверок используются различные приборы, например, RLC - мосты либо самодельные приборы - пробники. Однако, проверить наличие короткозамкнутых витков можно при помощи простой неоновой лампы. Лампа может подойти любая - даже от неисправного электрочайника китайского производства.

Для проведения измерения лампу без ограничительного резистора необходимо подключить к исследуемой обмотке. Обмотка должна иметь наибольшую индуктивность; если это сетевой трансформатор, то подключайте лампу к сетевой обмотке. После этого через обмотку следует пропустить ток силой в несколько миллиампер. Для этой цели можно воспользоваться источником питания с последовательно включенным резистором, как показано на рисунке 2.

В качестве источника питания можно использовать батарейки. Если в момент размыкания питающей цепи наблюдается вспышка лампы, то катушка исправна, короткозамкнутых витков нет. (Чтобы последовательность действий была понятней на рисунке 2 показан выключатель).

Подобные измерения можно проводить, используя в качестве батареек стрелочный авометр, такой как ТЛ-4 в режиме измерения сопротивления *1 Ом. В этом режиме указанный прибор дает ток около полутора миллиампер, что вполне достаточно для проведения описанных измерений. для этих целей использовать нельзя - его тока не хватает для создания необходимой силы магнитного поля.

Подобные измерения можно провести в точности также, если неоновую лампу заменить собственными пальцами: для повышения разрешающей способности «измерительного прибора» пальцы следует слегка послюнить. При исправной катушке Вы почувствуете достаточно сильный удар током, конечно не смертельный, но и не очень приятный.

Рисунок 2. Обнаружение короткозамкнутых витков с помощью неоновой лампы.

Вероятно, многие замечали, проверяя целостность обмоток электродвигателей, трансформаторов, дросселей с помощью тестера, что если разорвать цепь катушка индуктивности-тестер, а затем тут же случайно коснуться выводов катушки, то можно почувствовать слабый электроудар. Можно этому эффекту не придать никакого значения, можно подумать о том, что вероятно проявляется ЭДС самоиндукции катушки, а можно и призадуматься: а нельзя ли как-то из этого извлечь пользу?

Оказалось, что можно, т.к. ЭДС самоиндукции катушки индуктивности представляет собой вполне конкретный бросок напряжения, амплитуда которого зависит от напряжения питания разрываемой цепи, от индуктивности катушки и от ее добротности. При экспериментальной проверке выяснилось, что если параллельно проверяемой катушке подключить неоновую лампочку типа ТН-0,2, ТН-0,3 и т.п., то при разрыве цепи источник питания-катушка ЭДС самоиндукции катушки вызывает вспышки неоновой лампочки, которые тем ярче, чем выше напряжение питания проверяемой цепи, индуктивность катушки и ее добротность.

Именно этому условию отвечают сетевые обмотки силовых трансформаторов, просто высоковольтные обмотки трансформаторов, обмотки дросселей со значительной индуктивностью, обмотки электродвигателей, т.е. именно те узлы электрооборудования, которые наиболее подвержены выходу из строя из-за электрических перегрузок, приводящих к перегреву обмоток, нарушению изоляции между витками обмотки и появлению короткозамкнутых витков. К.з. витки могут появиться и из-за механических повреждений обмоток. Но в любом случае при их появлении катушка индуктивности (обмотка) резко снижает свою добротность, уменьшается ее сопротивление токам промышленной частоты и она будет нагреваться выше допустимого значения, т.е.станет непригодной к дальнейшему использованию.

Оказалось, что если собрать испытательную схему, приведенную на рисунке, то исправные катушки индуктивности при разрыве цепи питания (нажатии на кнопку) дают яркие вспышки неоновой лампочки. А если в катушке индуктивности имеются короткозамкнутые витки, то вспышек илинет вовсе, или они очень слабые. Именно этот эффект является полезным, ибо он позволяет выявлять негодные, подлежащие выбраковке или ремонту электроизделия.

Очевидно, что обмотки, намотанные толстым проводом и имеющие малое количество витков, т.е. малую индуктивность, проверить этим способом не удастся - даже исправные катушки не будут давать вспышек неоновой лампочки. Это нужно учитывать, чтобы не сделать ошибочных выводов. Но для катушек индуктивности, имеющих омическое сопротивление постоянному току порядка десятков-сотен Ом и более, данная схема выявления короткозамкнутых витков очень удобна. Разъем Х1 может быть любого типа и предназначен для подключения источника постоянного напряжения. Величина напряжения питания не критична и может находиться в пределах 3 - 24 В, т.е. можно использовать любые имеющиеся под рукой батарейки или аккумуляторы. Тумблер S1 служит для отключения прибора при длительных перерывах в работе. Лампа HL1 может быть любого типа на напряжение не ниже чем Епит. Она нужна для контроля подачи напряжения питания на схему (для предупреждения ошибочных выводов о непригодности испытываемой катушки). Полезно рядом с проверяемыми катушками иметь заведомо исправную катушку того же типа для сравнительного контроля. Кнопка S2 может быть любого типа и служит для разрыва цепи питания при проверке катушки. Резистор R1 Тр.(Др.) служит для ограничения тока, протекающего через неоновую лампочку HL2. Х2, ХЗ -штыри типа LU4 с надетыми на них зажимами типа <крокодил>, которые с припаянными к ним гибкими проводниками подключаются непосредственно к выводам проверяемой катушки индуктивности.
Собранный без ошибок прибор в настройке не нуждается. Его можно разместить в любом малогабаритном корпусе. Хочу обратить внимание начинающих радиолюбителей, что данный способ проверки катушек индуктивности на отсутствие или наличие короткозамкнутых витков ни в коем случае нельзя использовать для проверки радиочастотных катушек, ибо могут размагнититься подстроечные сердечники или даже перегореть проводники катушек.

Схема межвиткового тестора и его работа довольна проста и доступна для сборки даже начинающими электронщиками. Благодаря этому прибору сможно проверить практически любые трансформаторы, генераторы, дроссели и катушеки индуктивности номиналом от 200 мкГн до 2 Гн. Индикатор способен определить не только целостность исследуемой обмотки, но и отлично выявляет межвитковое замыкание, а кроме того им можно проверить p-n переходы у кремниевых полупроводниковых диодов.

Может случиться, что намотанная катушка не содержит короткозамкнутых витков, а в процессе работы появляется сомнение в ее исправности. Как в этом убедиться? Не разбирать же трансформатор, чтобы снова проверить катушку. В таких случаях поможет другой прибор, который позволяет проверять трансформаторы, дроссели и другие катушки индуктивности в собранном виде.

Прибор собран на двух транзисторах и представляет собой генератор низкой частоты. Возникновение колебаний происходит в результате положительной обратной связи между каскадами. Глубина обратной связи зависит оттого, есть в проверяемой катушке короткозамкнутые витки, или они отсутствуют. При наличии замкнутых витков генерация срывается. Кроме того, в схеме есть отрицательная обратная связь, которая регулируется потенциометром R5. Она позволяет при испытании катушек с различной индуктивностью подобрать нужный режим работы генератора.
Для контроля напряжения генератора в схеме есть вольтметр переменного тока. Он состоит из миллиамперметра и двух выпрямительных диодов. Переменное напряжение подается через конденсатор С5. Этот конденсатор служит одновременно и ограничителем, позволяющим установить определенное отклонение стрелки миллиамперметра. Здесь желательно применить миллиамперметр с малым током отклонения (1 мА, 0,5 мА), чтобы измерительная цепь не влияла на работу генератора.
В качестве выпрямительных диодов подойдут диоды типа Д1, Д2 с любым буквенным индексом. При работе генератора подберите емкость конденсатора С5 такой, чтобы стрелка миллиамперметра отклонилась до середины шкалы. Если это не удастся, поставьте последовательно с миллиамперметром резистор и подберите его сопротивление по требуемому отклонению стрелки.
Транзисторы возьмите типа МП39-МП42 (П13-П15) со средним коэффициентом усиления (40-50). Резисторы могут быть любого типа мощностью от 0,12 Вт. Кнопки, выключатель, клеммы можно взять тоже любые.
Питается прибор от батареи «Крона» или любого другого источника напряжением 7-9 В.
Для сборки прибора используйте деревянную, металлическую или пластмассовую коробку подходящих размеров. На передней панели укрепите ручки управления и миллиамперметр, а сверху клеммы для подключения испытываемых катушек.
Как пользоваться прибором? Включите тумблер Вк. Стрелка миллиамперметра должна отклониться примерно до середины шкалы. К клеммам «Lх» подключите выводы проверяемой катушки и нажмите кнопку Кн1. Между базой транзистора Т1 и плюсом питания будет включен конденсатор С1, который с конденсатором С2 составит делитель напряжения, резко уменьшающий связь между каскадами. Если в проверяемой обмотке нет короткозамкнутых витков, то показания миллиамперметра могут увеличиться или незначительно уменьшиться. При наличии и даже одного короткозамкнутого витка колебания генератора срываются, и стрелка возвращается на нуль.
Положение движка переменного резистора R5 зависит от индуктивности проверяемой катушки. Если это, например, обмотка силового трансформатора или дросселя выпрямителя, которые обладают большой индуктивностью, движок должен находиться в крайнем правом по схеме положении. С уменьшением индуктивности проверяемой катушки амплитуда колебаний генератора уменьшается, а при очень малых индуктивностях генерация может вообще не возникнуть. Поэтому с уменьшением индуктивности, движок переменного резистора нужно передвигать влево по схеме. Это позволяет уменьшить глубину отрицательной обратной связи и увеличить тем самым напряжение между эмиттером и коллектором транзистора Т1
При испытаниях катушек очень малой индуктивности-контура приемников с ферритовыми сердечниками, индуктивность которых от 3 до 15 мГн, дополнительно необходимо увеличить глубину положительной обратной связи. Для этого достаточно нажать кнопку Кн2. Прибором можно проверять катушки с индуктивностью от 3 мГн до 10 Гн.

Внимание!

Если не удастся найти переменный резистор на 1,2кΩ, соберите участок схемы возле R5 по следующей схеме:

100Ω R5 1kΩ 100Ω К R3 (---[___]----[___]----[___]---) к R7 | К R6

Переменный резистор должен быть однооборотным и безындукционным, таким, как СП0, СП3, СП4 (либо иностранный эквивалент). Главное, чтобы дорожка была графитовой, а не проволочной.

Резисторы 100 Ω следует припаять к выводам R5, затем надеть на них кембрик либо термоусадочную трубку.

Транзисторы подходят любые из ряда: МП39Б, МП40(А/Б), МП41, МП41Б, МП42, МП42Б (или аналоги). Если изменить разводку платы – можно ставить транзисторы КТ361 (кроме КТ361А), КТ209Д или любые другие маломощные P-N-P с Ку=40…50.

Печатная плата:


(скачать в формате Sprint-Layout 5)

Схема взята из брошюры «Первые шаги радиолюбителя — выпуск 4/1971», развёл печатную плату – Александр Тауенис.

ВНИМАНИЕ! 13/05/2013 обновлена разводка платы, новая версия доступна доступна по той же ссылке . Помимо оригинальной версии для транзисторов МП39-42, в.lay файл включы также версии с транзисторами КТ361 (обычный монтаж) и КТ361 (поверхностный монтаж типоразмера 0805). В SMD-версию включены резисторы 1КОм, поэтому можно использовать обычный переменный резистор R5 на 1 килоом без навесных извращений а-ля 1960-ые.

Собрал сегодня и проверил. Работает.
R не менее 20 кОм... на плате 10 кОм.. (подстроечный, для калибровки) пришлось последовательно ставить 8 кОм резак, т.к. R2, R5, R6 на 470 Ом.
R1 10Ом
R2, R5, R6 820 Ом... можно меньше, но тогда R нужно с большим сопротивлением.
R3 47 кОм
R4 365 Ом
R7 10кОм
С1 - С3 30 nF
C4 0.5 nF
L1 5 Ом 360 витков проводом 0.13 в изоляции
L2 10 Ом 460 витков проводом 0.09 мм в изоляции
Мотаются на катушки 5 мм. Мотал на 10 мм и большим сечением и больше катушки т.к. не было меньших под рукой.
Расстояние между центрами катушек 27 мм (важно).
VD1 любой диод
VD2 светодиод. Или 2 разных или 2-х цветный.
VT1 - VT5 любой низкочастотный транзистор (в данном случае кт361 ). Лучше использовать не те что на плате, а аналоги современные.

S1 переключатель.
Питание 3В.
Частота генератора должна быть 34.5 кГц.... проверить было нечем... т.к. осциллограф списали и разобрали, на личный денег нет.

р.s. на схеме зеленым маркером отмечал то, что рисовал на печатной плате.

канифоль не смыл т.к. это опытный прибор.
в будущем планирую это же сделать на транзисторной сборке или логике распространенной.
плату рисовал в SL 6.0.