"Радиофронт", №23-24, август, 1930 год, стр. 541-542

Н. Малов

Дифференциальный трансформатор

При необходимости измерять неизвестное сопротивление, самоиндукцию или емкость любитель часто бывает поставлен в затруднительное положение, т. к. необходимые для измерения мостики дороги, мало распространены у нас, а самостоятельное изготовление их затруднительно.

Между тем существует сравнительно легко осуществимый и достаточно точный для практических целей метод определения этих величин при помощи дифференциального трансформатора, который легко можно изготовить самому.

Схема этого прибора изображена на рис. 1. От какого-нибудь источника переменного тока низкой или высокой частоты идет ток I, который в точке А разделяется на две части: ток I₁ проходит через катушку дифференциального трансформатора L₁ и неизвестное сопротивление X (самоиндукцию, емкость или их комбинацию); ток I₂ идет через совершенно такую же по размерам, но намотанную в противоположном направлении катушку дифференциального трансформатора L₂ и через известное (эталонное) переменное сопротивление Эт (или самоиндукцию или емкость). Затем оба тока сходятся вместе и возвращаются к источнику.

Рис. 1.

Катушки L₁ и L₂ индуктивно связаны со вторичной катушкой дифференциального трансформатора L, к концам которой приключены детектор D с гальванометром G (или менее чувствительным прибором).

Токи, текущие по катушкам L₁ и L₂, будут индуцировать в катушке L электродвижущие силы, причем величина их будет зависеть от силы токов и от сдвига фаз между токами и напряжением, определяемых величиной включенных в обе цепи сопротивлений, самоиндукций и емкостей. По знаку же индуцируемые электродвижущие силы всегда будут противоположны друг другу, т. к. токи I₁ и I₂ отекают катушки L₁ и L₂ в противоположных направлениях. В результате в катушке L возникает ток, определяемый разностью индуцируемых электродвижущих сил, который вызовет отклонение стрелки прибора.

Если изменять величину известного сопротивления, то величины токов I₁ и I₂ будут меняться, т. к. разветвление токов определяется величиной сопротивлений, включенных в разветвление.

При равенстве измеряемого и известного сопротивления (или емкости, самоиндукции или их комбинаций) токи I₁ и I₂ будут одинаковы по величине и по фазе; индуцируемые ими во вторичной обмотке L электродвижущие силы станут равными по величине, но противоположными по знаку, т. е. уничтожат друг друга, и ток через катушку L сделается равным нулю, стрелка прибора останется в покое.

Таким образом, измерение сводится к установлению условий исчезновения тока во вторичной цепи трансформатора, после чего величина известного сопротивления прямо определяет измеряемую.

Чувствительность дифференциального трансформатора зависит от силы тока, частоты его и числа витков в катушках, увеличиваясь при возрастании всех этих величин.

При измерениях в области низких и звуковых частот для повышения чувствительности лучше всего пользоваться дифференциальным трансформатором с замкнутым железным сердечником, размеры которого могут быть взяты произвольными.

В этом случае катушки L₁ и L₂ удобно сделать следующим образом (рис. 2): из картона делается каркас для катушки, отверстие которого соответствует по форме и величине сечения сердечника. На каркас наматывается однослойная катушка проволоки 0,3—0,5 мм, содержащая 50—150 витков (чем ниже частота, тем больше витков) и делаются выводы от ее концов и середины, которая в этом случае является точкой А рисунка 1. Очевидно, токи I₁ и I₂ будут обтекать полученные катушки L₁ и L₂ в разные стороны.

Рис. 2.

На противоположную часть сердечника наматывается вторичная катушка из тонкой (0,1 мм) проволоки, число витков которой должно быть значительным (500—2 000 витков), причем, конечно, ее можно делать многослойной.

Для устранения внешних влияний вторичную катушку полезно заэкранировать (напр. металлической фольгой, которая заземляется).

При высоких частотах (более 30—40 тысяч колебаний) железный сердечник оказывается неприменимым.

В этом случае (и до частот порядка 1 миллиона) удобно поступить следующим образом:

На картонную трубу диаметром 10—15 см и длиной 10—20 см наматываются одновременно обе катушки L₁ и L₂, так что витки их лежат друг между другом (конечно, мотать их нужно в противоположные стороны, начиная с общей точки А).

Через каждые ½ оборота витки, как легко сообразить, будут пересекаться; при этом пересечении следует один раз пропускать внизу виток одной обмотки, другой раз виток второй обмотки и т. д. Отдельные витки должны плотно прилегать друг к другу и лежать ровно, без изломов, что легко достигается при некотором навыке. Число витков 15—25.

Вторичная обмотка делается из 200—800 витков, намотанных на картонную трубку несколько меньшего диаметра и большей длины. Эта трубка вставляется в первую так, чтобы первая оказалась сидящей посредине ее; после этого рекомендуется трубки закрепить, чтобы они были неподвижны друг относительно друга.

Вторичную обмотку и провода, идущие от нее к детектору и гальванометру, рекомендуется экранировать.

При более высоких частотах число витков обеих катушек делается меньше, однако при очень высоких частотах (несколько миллионов) начинает сказываться влияние окружающих предметов, возникают паразитные токи из контура на землю, и измерения значительно усложняются.

Указанные размеры катушек при пропускании в первичной цепи 10—25 mA при пользовании стрелочным гальванометром, отмечающим токи около микроампера, позволяют получить точность более 1%. Если взять менее чувствительный прибор, то число витков рекомендуется увеличить, чтобы усилить индуцируемый во вторичной обмотке ток.

Для проверки степени одинаковости катушек применяется следующий простой способ: концы катушек, к которым обычно приключаются сопротивления, замыкаются накоротко, и через катушки пропускается ток. Очевидно, при идентичности катушек во вторичной цепи не должно возникать никакого тока: если он существует, то необходимо внести в катушки исправления, немного увеличивая или уменьшая длину одной из них.

Источником тока может служить любой генератор колебаний.

Если чувствительного прибора под руками не имеется, то можно воспользоваться вместо него телефоном.

Наконец для повышения чувствительности можно вторичную обмотку замыкать на соответствующий усилитель; но, конечно, это усложняет работу.

Кроме определения неизвестных сопротивлений, емкости и самоиндукций дифференциальный трансформатор с успехом применяется для измерения потерь в трансформаторах, утечек, конденсаторов и т. д.

Например, если измеряемый конденсатор имеет прокладки из плохого диэлектрика, то в цепь трансформатора включают известное сопротивление, соединенное последовательно с емкостью; при положении, когда во вторичной обмотке ток отсутствует, в цепи оказывается включенной некоторая емкость, определяющая истинную емкость конденсатора и сопротивление, определяющее потери в диэлектрике данного конденсатора.

Так как измерения могут производиться при различных силах тока (для измерения его в общую цепь обеих первичных катушек включают амперметр; он показывает, очевидно, удвоенную величину тока, текущего при равновесии трансформатора через каждую катушку), то дифференциальный трансформатор удобно применять для изучения явлений, зависящих от силы тока, например для измерения зависимости самоиндукции катушки с железным сердечником от силы тока, проходящего по катушке.