Трансформатор для чайников: Как работает трансформатор для чайников

Содержание

режимы, схема, назначение, из чего состоит

Может быть, кто-то думает, что трансформатор – это что-то среднее между трансформером и терминатором. Данная статья призвана разрушить подобные представления.

Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.

Трансформатор – статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного электрического тока одного напряжения и определенной частоты в электрический ток другого напряжения и той же частоты.
Работа любого трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции, открытой Фарадеем.

Назначение трансформаторов

Разные виды трансформаторов используются практически во всех схемах питания электрических приборов и при передаче электроэнергии на большие расстояния.

Электростанции вырабатывают ток относительно небольшого напряжения – 220, 380

, 660В. Трансформаторы, повышая напряжение до значений порядка тысяч киловольт, позволяют существенно снизить потери при передаче электроэнергии на большие расстояния, а заодно и уменьшить площадь сечения проводов ЛЭП.

Непосредственно перед тем как попасть к потребителю (например, в обычную домашнюю розетку), ток проходит через понижающий трансформатор. Именно так мы получаем привычные нам 220 Вольт.

Самый распространенный вид трансформаторов – силовые трансформаторы. Они предназначены для преобразования напряжения в электрических цепях. Помимо силовых трансформаторов в различных электронных приборах применяются:

импульсные трансформаторы;
силовые трансформаторы;
трансформаторы тока.

Принцип работы трансформатора

Трансформаторы бывают однофазные и многофазные, с одной, двумя или большим количеством обмоток. Рассмотрим схему и принцип работы трансформатора на примере простейшего однофазного трансформатора.

Кстати, в других статьях можно почитать, что такое фаза и ноль в электричестве.

Из чего состоит трансформатор? Во простейшем случае из одного металлического сердечника и двух обмоток. Обмотки электрически не связаны одна с другой и представляют собой изолированные провода.

Одна обмотка (ее называют первичной) подключается к источнику переменного тока. Вторая обмотка, называемая вторичной, подключается к конечному потребителю тока.

Когда трансформатор подключен к источнику переменного тока, в витках его первичной обмотки течет переменный ток величиной I1. При этом образуется магнитный поток Ф, который пронизывает обе обмотки и индуцирует в них ЭДС.

Бывает, что вторичная обмотка не находится под нагрузкой. Такой режимы работы трансформатора называется режимом холостого хода. Соответственно, если вторичная обмотка подключена к какому-либо потребителю, по ней течет ток

I2, возникающий под действием ЭДС.

Величина ЭДС, возникающей в обмотках, напрямую зависит от числа витков каждой обмотки. Отношение ЭДС, индуцированных в первичной и вторичной обмотках, называется коэффициентом трансформации и равно отношению количества витков соответствующих обмоток.

Путем подбора числа витков на обмотках можно увеличивать или уменьшать напряжение на потребителе тока с вторичной обмотки.

Идеальный трансформатор

Идеальный трансформатор – трансформатор, в котором отсутствуют потери энергии. В таком трансформаторе энергия тока в первичной обмотке полностью преобразуется сначала в энергию магнитного поля, а далее – в энергию вторичной обмотки.

Конечно, такого трансформатора не существует в природе. Тем не менее, в случае, когда теплопотерями можно пренебречь, в расчетах удобно пользоваться формулой для идеального трансформатора, согласно которой мощности тока в первичной и вторичной обмотках равны.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Потери энергии в трансформаторе

Коэффициент полезного действия трансформаторов достаточно высок. Тем не менее, в обмотке и сердечнике происходят потери энергии, приводящие к тому, что температура при работе трансформатора повышается. Для трансформаторов небольшой мощности это не представляет проблемы, и все тепло уходит в окружающую среду – используется естественное воздушное охлаждение. Такие трансформаторы называют сухими.

В более мощных трансформаторах воздушного охлаждения оказывается недостаточно, и применяется охлаждение маслом. В этом случае трансформатор помещается в бак с минеральным маслом, через которое тепло передается стенкам бака и рассеивается в окружающую среду. В трансформаторах высоких мощностей дополнительно применяются выхлопные трубы – если масло закипает, образовавшимся газам нужен выход.

Конечно, трансформаторы не так просты, как может показаться на первый взгляд – ведь мы рассмотрели принцип действия трансформатора кратко. Контрольная по электротехнике с задачами на расчет трансформатора внезапно может стать настоящей проблемой. Специальный студенческий сервис всегда готов оказать помощь в решении любых проблем с учебой! Обращайтесь в Zaochnik и учитесь легко!

Устройство и принцип работы трансформатора

Здравствуйте, уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Продолжаем знакомство с электронными компонентами и в этой статье рассмотрим устройство и принцип работы трансформатора.

Трансформаторы нашли широкое применение в радио и электротехнике и применяются для передачи и распределения электрической энергии в сетях энергосистем, для питания схем радиоаппаратуры, в преобразовательных устройствах, качестве сварочных трансформаторов и т.п.

Трансформатор предназначен для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины.

В большинстве случаев трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода (сердечника) с расположенными на нем двумя катушками (обмотками) электрически не связанных между собой. Магнитопровод изготавливают из ферромагнитного материала, а обмотки мотают медным изолированным проводом и размещают на магнитопроводе.

Одна обмотка подключается к источнику переменного тока и называется первичной (I), с другой обмотки снимается напряжение для питания нагрузки и обмотка называется вторичной (II). Схематичное устройство простого трансформатора с двумя обмотками показано на рисунке ниже.

1. Принцип работы трансформатора.

Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции.

. Магнитное поле образует магнитный поток Фo, который проходя по магнитопроводу пересекает витки первичной и вторичной обмоток и индуцирует (наводит) в них переменные ЭДС – е1 и е2. И если к выводам вторичной обмотки подключить вольтметр, то он покажет наличие выходного напряжения U2, которое будет приблизительно равно наведенной ЭДС е2.

При подключении к вторичной обмотке нагрузки, например, лампы накаливания, в первичной обмотке возникает ток I1, образующий в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф1 изменяющийся с той же частотой, что и ток I1. Под воздействием переменного магнитного потока в цепи вторичной обмотки возникает ток I2, создающий в свою очередь противодействующий согласно закону Ленца магнитный поток Ф2, стремящийся размагнитить порождающий его магнитный поток.

В результате размагничивающего действия потока Ф2 в магнитопроводе устанавливается магнитный поток

Фo равный разности потоков Ф1 и Ф2 и являющийся частью потока Ф1, т.е.

Результирующий магнитный поток Фo обеспечивает передачу магнитной энергии из первичной обмотки во вторичную и наводит во вторичной обмотке электродвижущую силу е2, под воздействием которой во вторичной цепи течет ток I2. Именно благодаря наличию магнитного потока Фo и существует ток I2, который будет тем больше, чем больше Фo. Но и в то же время чем больше ток I2, тем больше противодействующий поток Ф2 и, следовательно, меньше Фo.

Из сказанного следует, что при определенных значениях магнитного потока Ф1 и сопротивлений вторичной обмотки и нагрузки устанавливаются соответствующие значения ЭДС е2, тока I2 и потока Ф2, обеспечивающие равновесие магнитных потоков в магнитопроводе, выражаемое формулой приведенной выше.

Таким образом, разность потоков

Ф1 и Ф2 не может быть равна нулю, так как в этом случае отсутствовал бы основной поток Фo, а без него не мог бы существовать поток Ф2 и ток I2. Следовательно, магнитный поток Ф1, создаваемый первичным током I1, всегда больше магнитного потока Ф2, создаваемого вторичным током I2.

Величина магнитного потока зависит от создающего его тока и от числа витков обмотки, по которой он проходит.

Напряжение вторичной обмотки зависит от соотношения чисел витков в обмотках. При одинаковом числе витков напряжение на вторичной обмотке будет приблизительно равно напряжению, подаваемому на первичную обмотку, и такой трансформатор называют разделительным.

Если вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная, то развиваемое в ней напряжение будет больше напряжения, подаваемого на первичную обмотку, и такой трансформатор называют повышающим.

Если же вторичная обмотка содержит меньшее число витков, чем первичная, то и напряжение ее будет меньше, чем напряжение подаваемое на первичную обмотку, и такой трансформатор называют

понижающим.

Следовательно. Путем подбора числа витков обмоток, при заданном входном напряжении U1 получают желаемое выходное напряжение U2. Для этого пользуются специальными методиками по расчету параметров трансформаторов, с помощью которых производится расчет обмоток, выбирается сечение проводов, определяются числа витков, а также толщина и тип магнитопровода.

Трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Если его первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то в магнитопроводе образуется магнитный поток постоянный во времени, по величине и направлению. В этом случае в первичной и вторичной обмотках не будет индуцироваться переменное напряжение, а следовательно, не будет передаваться электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Однако если в первичной обмотке трансформатора будет течь пульсирующий ток, то во вторичной обмотке будет индуцироваться переменное напряжение частота которого будет равна частоте пульсации тока в первичной обмотке.

2. Устройство трансформатора.

2.1. Магнитопровод. Магнитные материалы.

Назначение магнитопровода заключается в создании для магнитного потока замкнутого пути, обладающего минимальным магнитным сопротивлением. Поэтому магнитопроводы для трансформаторов изготавливают из материалов, обладающих высокой магнитной проницаемостью в сильных переменных магнитных полях. Материалы должны иметь малые потери на вихревые токи, чтобы не перегревать магнитопровод при достаточно больших значениях магнитной индукции, быть достаточно дешевыми и не требовать сложной механической и термической обработки.

Магнитные материалы, используемые для изготовления магнитопроводов, выпускаются в виде отдельных листов, либо в виде длинных лент определенной толщины и ширины и называются электротехническими сталями.
Листовые стали (ГОСТ 802-58) изготавливаются методом горячей и холодной прокатки, ленточные текстурованные стали (ГОСТ 9925-61) только методом холодной прокатки.

Также применяют железноникелевые сплавы с высокой магнитной проницаемостью, например, пермаллой, перминдюр и др. (ГОСТ 10160-62), и низкочастотные магнитомягкие ферриты.

Для изготовления разнообразных относительно недорогих трансформаторов широко применяются электротехнические стали, имеющие небольшую стоимость и позволяющие трансформатору работать как при постоянном подмагничивании магнитопровода, так и без него. Наибольшее применение нашли холоднокатаные стали, имеющие лучшие характеристики по сравнению со сталями горячей прокатки.

Сплавы с высокой магнитной проницаемостью применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, предназначенных для работы при повышенных и высоких частотах 50 – 100 кГц.

Недостатком таких сплавов является их высокая стоимость. Так, например, стоимость пермаллоя в 10 – 20 раз выше стоимости электротехнической стали, а пермендюра – в 150 раз. Однако в ряде случаев их применение позволяет существенно снизить массу, объем и даже общую стоимость трансформатора.

Другим их недостатком является сильное влияние на магнитную проницаемость постоянного подмагничивания, переменных магнитных полей, а также низкая стойкость к механическим воздействиям – удар, давление и т.п.

Из магнитомягких низкочастотных ферритов с высокой начальной проницаемостью изготавливают прессованные магнитопроводы, которые применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, работающих на высоких частотах от 50 – 100 кГц. Достоинством ферритов является невысокая стоимость, а недостатком является низкая индукция насыщения (0,4 – 0,5 Т) и сильная температурная и амплитудная нестабильность магнитной проницаемости. Поэтому их применяют лишь при слабых полях.

Выбор магнитных материалов производится исходя из электромагнитных характеристик с учетом условий работы и назначения трансформатора.

2.2. Типы магнитопроводов.

Магнитопроводы трансформаторов разделяются на шихтованные (штампованные) и ленточные (витые), изготавливаемые из листовых материалов и прессованные из ферритов.

Шихтованные магнитопроводы набираются из плоских штампованных пластин соответствующей формы. Причем пластины могут быть изготовлены практически из любых, даже очень хрупких материалов, что является достоинством этих магнитопроводов.

Ленточные магнитопроводы изготавливаются из тонкой ленты, намотанной в виде спирали, витки которой прочно соединены между собой. Достоинством ленточных магнитопроводов является полное использование свойств магнитных материалов, что позволяет уменьшить массу, размеры и стоимость трансформатора.

В зависимости от типа магнитопровода трансформаторы подразделяются на стрежневые, броневые и тороидальные. При этом каждый из этих типов может быть и стрежневым и ленточным.

Стержневые.

В магнитопроводах стержневого типа обмотки располагается на двух стержнях (стержнем называют часть магнитопровода, на которой размещают обмотки). Это усложняет конструкцию трансформатора, но уменьшает толщину намотки, что способствует снижению индуктивности рассеяния, расхода проволоки и увеличивает поверхность охлаждения.

Стержневые магнитопроводы используют в выходных трансформаторах с малым уровнем помех, так как они малочувствительны к воздействию внешних магнитных полей низкой частоты. Это объясняется тем, что под влиянием внешнего магнитного поля в обеих катушках индуцируются напряжения, противоположные по фазе, которые при равенстве витков обмоток компенсируют друг друга. Как правило, стержневыми выполняются трансформаторы большой и средней мощности.

Броневые.

В магнитопроводе броневого типа обмотка располагается на центральном стержне. Это упрощает конструкцию трансформатора, позволяет получить более полное использование окна обмоткой, а также создает некоторую механическую защиту обмотки. Поэтому такие магнитопроводы получили наибольшее применение.

Некоторым недостатком броневых магнитопроводов является их повышенная чувствительность к воздействию магнитных полей низкой частоты, что делает их малопригодными к использованию в качестве выходных трансформаторов с малым уровнем помех. Чаще всего броневыми выполняются трансформаторы средней мощности и микротрансформаторы.

Тороидальные.

Тороидальные или кольцевые трансформаторы позволяют полнее использовать магнитные свойства материала, имеют малые потоки рассеивания и создают очень слабое внешнее магнитное поле, что особенно важно в высокочастотных и импульсных трансформаторах. Но из-за сложности изготовления обмоток не получили широкого применения. Чаще всего их делают из феррита.

Для уменьшения потерь на вихревые токи шихтованные магнитопроводы набираются из штампованных пластин толщиной 0,35 – 0,5 мм, которые с одной стороны покрывают слоем лака толщиной 0,01 мм или оксидной пленкой.

Лента для ленточных магнитопроводов имеет толщину от нескольких сотых до 0,35 мм и также покрывается электроизолирующей и одновременно склеивающейся суспензией или оксидной пленкой. И чем тоньше слой изоляции, тем плотнее происходит заполнение сечения магнитопровода магнитным материалом, тем меньше габаритные размеры трансформатора.

За последнее время наряду с рассмотренными «традиционными» типами магнитопроводов находят применение новые формы, к числу которых следует отнести магнитопроводы «кабельного» типа, «обращенный тор», катушечный и др.

На этом пока закончим. Продолжим во второй части.
Удачи!

Литература:

1. В. А. Волгов – «Детали и узлы радио-электронной аппаратуры», Энергия, Москва 1977 г.
2. В. Н. Ванин – «Трансформаторы тока», Издательство «Энергия» Москва 1966 Ленинград.
3. И. И. Белопольский – «Расчет трансформаторов и дросселей малой моности», М-Л, Госэнергоиздат, 1963 г.
4. Г. Н. Петров – «Трансформаторы. Том 1. Основы теории», Государственное Энергетическое Издательство, Москва 1934 Ленинград.
5. В. Г. Борисов, – «Юный радиолюбитель», Москва, «Радио и связь» 1992 г.

§63. Назначение и принцип действия трансформатора

Назначение трансформатора.

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.

Трансформаторы позволяют значительно повысить напряжение, вырабатываемое источниками переменного тока, установленными на электрических станциях, и осуществить передачу электроэнергии на дальние расстояния при высоких напряжениях (110, 220, 500, 750 и 1150 кВ). Благодаря этому сильно уменьшаются потери энергии в проводах и обеспечивается возможность значительного уменьшения площади сечения проводов линий электропередачи.

В местах потребления электроэнергии высокое напряжение, подаваемое от высоковольтных линий электропередачи, снова понижается трансформаторами до сравнительно небольших значений (127, 220, 380 и 660 В), при которых работают электрические потребители, установленные на фабриках, заводах, в депо и жилых домах. На э. п. с. переменного тока трансформаторы применяют для уменьшения напряжения, подаваемого из контактной сети к тяговым двигателям и вспомогательным цепям.

Кроме трансформаторов, применяемых в системах передачи и распределения электроэнергии, промышленностью выпускаются трансформаторы: тяговые (для э. п. с), для выпрямительных установок, лабораторные с регулированием напряжения, для питания радиоаппаратуры и др. Все эти трансформаторы называют силовыми.

Трансформаторы используют также для включения электроизмерительных приборов в цепи высокого напряжения (их называют измерительными), для электросварки и других целей. Трансформаторы бывают однофазные и трехфазные, двух- и многообмоточные.

Принцип действия трансформатора.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Простейший трансформатор состоит из стального магнитопровода 2 (рис. 212) и двух расположенных на нем обмоток 1 и 3.

Рис. 212. Схема включения однофазного трансформатора

Обмотки выполнены из изолированного провода и электрически не связаны. К одной из обмоток подается электрическая энергия от источника переменного тока. Эту обмотку называют первичной. К другой обмотке, называемой вторичной, подключают потребители (непосредственно или через выпрямитель).

При подключении трансформатора к источнику переменного тока (электрической сети) в витках его первичной обмотки протекает переменный ток i₁, образуя переменный магнитный поток Ф. Этот поток проходит по магнитопроводу трансформатора и, пронизывая витки первичной и вторичной обмоток, индуцирует в них переменные э. д. с. е₁ и е₂. Если к вторичной обмотке присоединен какой-либо приемник, то под действием э. д. с. е₂ по ее цепи проходит ток i₂.

Э. д. с, индуцированная в каждом витке первичной и вторичной обмоток трансформатора, согласно закону электромагнитной индукции зависит от магнитного потока, пронизывающего виток, и скорости его изменения. Магнитный поток каждого трансформатора является определенной величиной, зависящей от напряжения и частоты изменения переменного тока в источнике, к которому подключен трансформатор. Постоянна также и скорость изменения магнитного потока, она определяется частотой изменения переменного тока.

Следовательно, в каждом витке первичной и вторичной обмоток индуцируется одинаковая э. д.с. В результате этого отношение действующих значений э. д. с. Е₁ и E₂, индуцированных в первичной и вторичной обмотках трансформатора, будет равно отношению чисел витков N₁ и N₂ этих обмоток, т. е.

E₁/E₂ = N₁/ N₂.

Отношение э. д. с. Е_вн обмотки высшего напряжения к э. д. с. E_нн обмотки низшего напряжения (или отношение чисел их витков) называется коэффициентом трансформации,

n = Е_вн / E_нн = K_вн / K_нн.

Коэффициент трансформации всегда больше единицы. Если пренебречь падениями напряжения в первичной и вторичной обмотках трансформатора (в трансформаторах средней и большой мощности они не превышают обычно 2—5 % номинальных значений напряжений U₁ и U₂), то можно считать, что отношение напряжения U₁ первичной обмотки к напряжению U₂ вторичной обмотки приблизительно равно отношению чисел их витков, т. е.

U₁/U₂ ≈ N₁/ N₂

Таким образом, подбирая требуемое соотношение между числами витков первичной и вторичной обмоток, можно увеличивать или уменьшать напряжение на приемнике, подключенном к вторичной обмотке. Если необходимо на вторичной обмотке получить напряжение большее, чем подается на первичную, то применяют повышающие трансформаторы, у которых число витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной.

В понижающих трансформаторах, наоборот, число витков вторичной обмотки меньше, чем в первичной.

Трансформатор не может осуществить преобразование напряжения постоянного тока. При подключении его первичной обмотки к сети постоянного тока в трансформаторе создается постоянный по величине и направлению магнитный поток, который не может индуцировать э. д. с. в первичной и вторичной обмотках. Поэтому не будет происходить передачи электрической энергии из первичной обмотки во вторичную.

При подключении первичной обмотки трансформатора к сети переменного тока через эту обмотку проходит некоторый ток, называемый током холостого хода. При включении нагрузки по вторичной обмотке трансформатора начинает проходить ток, при этом увеличивается и ток, проходящий по первичной обмотке.

Чем больше нагрузка трансформатора, т. е. электрическая мощность и ток i₂, отдаваемые его вторичной обмоткой подключенным к ней приемникам, тем больше электрическая мощность и ток i₁, поступающие из сети в первичную обмотку.

Ввиду того что потери мощности в трансформаторе обычно малы, можно приближенно принять, что мощности в первичной и вторичной обмотках одинаковы. В этом случае можно считать, что токи в обмотках трансформатора приблизительно обратно пропорциональны напряжениям: I₁/I₂ ≠ U₂/U₁ или что токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны числам витков первичной и вторичной обмоток: I₁/I₂ ≠ N₂/N₁.

Это означает, что в повышающем трансформаторе ток во вторичной обмотке меньше, чем в первичной (во столько раз, во сколько напряжение U₂ больше напряжения U₁), а в понижающем ток во вторичной обмотке больше, чем в первичной.

Поэтому в трансформаторах обмотки высшего напряжения выполняются из более тонких проводов, чем обмотки низшего напряжения.

Как работает трансформатор для чайников

В энергетике, электронике и других отраслях прикладной электротехники большая роль отводится преобразованиям электромагнитной энергии из одного вида в другой. Этим вопросом занимаются многочисленные трансформаторные устройства, которые создаются под различные производственные задачи.

Одни из них, имеющие наиболее сложную конструкцию, выполняют трансформацию мощных потоков высоковольтной энергии, например. 500 или 750 киловольт в 330 и 110 кВ или в обратном направлении.

Другие работают в составе малогабаритных устройств бытовой техники, электронных приборов, системах автоматизации. Они также широко используются в различных блоках питания мобильных устройств.

Трансформаторы работают только в цепях переменного напряжения разной частоты и не предназначены для применения в схемах постоянного тока, в которых используются преобразователи других типов.

Трансформаторы делятся на две основные группы: однофазные, питающиеся от сети однофазного переменного тока, и трехфазные, питающиеся от сети трехфазного переменного тока.

Трансформаторы очень различны по своей конструкции. Основными элементами трансформатора являются: замкнутый стальной сердечник (магнитопровод), обмотки и детали, служащие для крепления магнитопровода и катушек с обмотками и установки трансформатора в выпрямительное устройство. Матнитопровод предназначен для создания замкнутого пути для магнитного потока.

Части магннтопровода, на которых размещены обмотки, называются стержнями, а части, на которых отсутствуют обмотки и которые служат для замыкания: магнитного потока в магнитопроводе — ярмом. Материалом для магнитопровода трансформатора служит листовая электротехническая сталь (трансформаторная сталь). Эта сталь бывает различных марок, толщины, горячей и холодной прокатки.

Общие принципы работы трансформаторов

Мы знаем, что электромагнитная энергия неразрывна. Но ее принято представлять двумя составляющими:

Так проще понимать происходящие явления, описывать процессы, делать расчеты, конструировать различные устройства и схемы. Целые разделы электротехники посвящены раздельным анализам работы электрических и магнитных цепей.

Электрический ток, как и магнитный поток, протекает только по замкнутой цепи, обладающей сопротивлением (электрическим или магнитным). Его создают внешние приложенные силы — источники напряжения соответствующих энергий.

Однако, при рассмотрении принципов работы трансформаторных устройств придётся одновременно исследовать оба этих фактора, учесть их комплексное воздействие на преобразование мощности.

Простейший трансформатор состоит из двух обмоток, выполненных намоткой витками изолированной проволоки, по которым протекает электрический ток и одной магистрали для магнитного потока. Ее принято называть сердечником или магнитопроводом.

К вводу одной обмотки приложено напряжение от источника электроэнергии U1, а с выводов второй оно, после преобразования в U2, подается на подключенную нагрузку R.

Под действием напряжения U1 в первой обмотке по замкнутой цепи протекает ток I1, величина которого зависит от полного сопротивления Z, состоящего из двух составляющих:

1. активного сопротивления проводов обмотки;

2. реактивной составляющей, обладающей индуктивным характером.

Величина индуктивного сопротивления оказывает большое влияние на работу трансформатора.

Протекающая по первичной обмотки электрическая энергия в виде тока I1 представляет собой часть электромагнитной, магнитное поле которой направлено перпендикулярно движению зарядов или расположению витков проволоки. В его плоскости размещен сердечник трансформатора — магнитопровод, по которому замыкается магнитный поток Ф.

Все это наглядно отражено на картинке и строго соблюдается при изготовлении. Сам магнитопровод тоже замкнут, хотя в отдельных целях, например, для снижения магнитного потока в нем могут делать зазоры, увеличивающие его магнитное сопротивление.

За счет протекания первичного тока по обмотке магнитная составляющая электромагнитного поля проникает в магнитопровод и циркулирует по нему, пересекая витки вторичной обмотки, которая замкнута на выходное сопротивление R.

Под действием магнитного потока во вторичной обмотке наводится электрический ток I2. На его величине сказывается значение приложенной напряженности магнитной составляющей и полной сопротивление цепи, включая подключенную нагрузку R.

При работе трансформатора внутри магнитопровода создается общий магнитный поток Ф и его составные части Ф1 и Ф2.

Как устроен и работает автотрансформатор

Среди трансформаторных устройств особой популярностью пользуются упрощенные конструкции, использующие в работе не две разные отдельно выполненные обмотки, а одну общую, разделенную на секции. Их называют автотрансформаторами.

Принцип работы такой схемы практически остался прежним: происходит преобразование входной электромагнитной энергии в выходную. По виткам обмотки W1 протекают первичные токи I1, а по W2 — вторичные I2. Магнитопровод обеспечивает путь движения для магнитного потока Ф.

У автотрансформатора имеется гальванически связь между входными и выходными цепями. Так как преобразованию подвергается не вся приложенная мощность источника, а только часть ее, то создается более высокий КПД, чем у обычного трансформатора.

Такие конструкции позволяют экономить на материалах: стали для магнитопровода, меди для обмоток. Они обладают меньшим весом и стоимостью. Поэтому их эффективно используют в системе энергетики от 110 кВ и выше.

Особых отличий в режимах работы трансформатора и автотрансформатора практически нет.

Рабочие режимы трансформатора

При эксплуатации любой трансформатор может находиться в одном из состояний:

выведен из работы;

Режим вывода из работы

Для его создания достаточно снять питающее напряжение источника электроэнергии с первичной обмотки и этим исключить прохождение электрического тока по ней, что и делают всегда в обязательном порядке с подобными устройствами.

Однако на практике при работе со сложными трансформаторными конструкциями такая мера не обеспечивает полностью меры безопасности: на обмотках может оставаться напряжение и приносить вред оборудованию, подвергать опасности обслуживающий персонал за счет случайного воздействия разрядов тока.

Как это может произойти?

У малогабаритных трансформаторов, которые работают в качестве блока питания, как показано на верхней фотографии, постороннее напряжение никакого вреда не причинит. Ему там просто неоткуда взяться. А на энергетическом оборудовании его обязательно следует учитывать. Разберём две часто встречающиеся причины:

1. подключение постороннего источника электроэнергии;

2. действие наведенного напряжения.

Первый вариант

На сложных трансформаторах работает не одна, а несколько обмоток, которые используются в разных цепях. Со всех их необходимо отключать напряжение.

Кроме того, на подстанциях, эксплуатируемой в автоматическом режиме без постоянного оперативного персонала к шинам силовых трансформаторов подключают дополнительные трансформаторы, обеспечивающие собственные нужды подстанции электроэнергией 0,4 кВ. Они предназначены для питания защит, устройств автоматики, освещения, отопления и других целей.

Их так и называют — ТСН или трансформаторы собственных нужд. Если со входа силового трансформатора снято напряжение и его вторичные цепи разомкнуты, а на ТСН проводятся работы, то существует вероятность обратной трансформации, когда напряжение 220 вольт с низкой стороны проникнет на высокую по подключенным шинам питания. Поэтому их необходимо обязательно отключать.

Действие наведенного напряжения

Если около шин отключенного трансформатора проходит высоковольтная линия, находящаяся под напряжением, то токи, протекающие по ней, способны наводить напряжение на шинах. Необходимо применять меры для его снятия.

Номинальный режим работы

Это обычное состояние трансформатора во время его эксплуатации для которого он и создан. Токи в обмотках и приложенные к ним напряжения соответствуют расчетным значениям.

Трансформатор в режиме номинальной нагрузки потребляет и преобразует мощности, соответствующие проектным значениям в течение всего предусмотренного ему ресурса.

Режим холостого хода

Он создается в том случае, когда на трансформатор подано напряжение от источника питания, а на выводах выходной обмотки отключена нагрузка, то есть разомкнута цепь. Этим исключается протекание тока по вторичной обмотке.

Трансформатор в режиме холостого хода потребляет минимально возможную мощность, определяемую его конструкторскими особенностями.

Режим короткого замыкания

Так называют ситуацию, когда нагрузка, подключенная к трансформатору оказывается закороченной, наглухо зашунтированной цепочками с очень малыми электрическими сопротивлениями и на нее действует вся мощность питания источника напряжения.

В этом режиме протекание огромных токов КЗ ничем практически не ограничивается. Они обладают огромной тепловой энергией и способны сжечь провода или оборудование. Причем действуют до тех пор, пока схема питания через вторичную или первичную обмотку не выгорит, разорвавшись в наиболее слабом месте.

Это самый опасный режим, который способен возникнуть при работе трансформатора, причем, в любой, самый неожиданный момент времени. Его появление можно предвидеть, а развитие следует ограничивать. С этой целью используют защиты, которые отслеживают превышение допустимых токов на нагрузке и максимально быстро их отключают.

Режим перенапряжения

Обмотки трансформатора покрыты слоем изоляции, который создается для работы под определенным напряжением. При эксплуатации возможно его превышение по различным причинам, возникающим как внутри электрической системы, так и в результате воздействия атмосферных явлений.

В заводских условиях определяется величина допустимого превышения напряжения, которое может действовать на изоляцию до нескольких часов и кратковременных перенапряжений, создаваемых переходными процессами при коммутациях оборудования.

Для предотвращения их воздействия создают защиты от повышения напряжения, которые при возникновении аварийной ситуации отключают питание со схемы в автоматическом режиме или ограничивают импульсы разрядов.

Трансформатор – это регулирующее устройство, которое достаточно часто используется для того, чтобы повысить эффективность многих устройств. Эти устройства могут использоваться для повышения и понижения напряжения в сети. В этой статье вы узнаете принцип работу трансформатора тока.

Принцип работы трансформатора тока

Измерительные трансформаторы имеют достаточно простой принцип работы. Его работа подчиняется закону про электромагнитную индукцию. Если разобраться более детально, то взаимная индукция будет отвечать за действие преобразования напряжения. В соответствии с этим законом Фарадей гласит: «скорость изменения потокосцепления будет пропорциональной наведенной ЭДС в проводнике».

Основы теории трансформатора

Представьте, что у вас есть трансформатор с одной обмоткой, которая соединяется с электрическим током. Переменный ток будет производить меняющийся поток, который окружает катушку. Определенная ее часть может соединяться в том случае, если переменный ток постоянно будет проходить через обмотку. Этот поток может постоянно меняться в своем направлении.

Следуя из закона Фарадея у нас должно быть ЭДС, которое будет производить индукцию раз в секунду. Если в последней обмотке цепь будет закрыта, тогда через нее пройдет ток. Этот принцип работы трансформатора считается простейшим. Тороидальный трансформатор имеет немного другой принцип работы.

Когда вы будете использовать движение переменного тока к электрической катушке, поток энергии будет ее окружать. Поток будет неравномерным, а его скорость может изменяться. Это понятие считается фундаментальным в работе трансформатора. Обмотка, которую он содержит, будет принимать электрическую мощность от источника. Она дает выходное напряжение благодаря взаимной индукции.

Конструктивные части трансформатора

На сегодняшний день устройство трансформатора включает в себя три основные части, к которым относят:

Первичную обмотку. Когда подключается к источнику, она будет производить магнитный поток.
Магнитный сердечник. Магнитный поток будет создан в замкнутую цепь.
Вторичная обмотка. Ее необходимо наматывать на сердечник.

Это три основные части, из которых будет состоять силовой трансформатор.

Принцип работы трансформатора

Электрический силовой трансформатор является статистическим устройством. Принцип работы сварочного трансформатора заключается в том, что он будет преобразовывать энергию от схемы одного устройства к другому. Этот процесс проходит благодаря индукции между обмотками. Преобразование энергии будет происходить на основе изменения частоты. Он может работать в разных уровнях напряжения.

Работа однофазного трансформатора

Принцип работы однофазного трансформатора на сегодняшний день ничем не отличается от других устройств. Когда ток будет проходить по первичной обмотке, то будет создано магнитное поле. У него имеются мощные силовые линии. Первичную катушку они будут пронизывать полностью. Все линии являются замкнутыми между вокруг проводников катушек.

Закон про магнитную связь гласит о том, чем ближе расположены объекты, тем сильнее будет их связь. Вам следует знать, что в однофазном трансформаторе сила магнитного поля будет зависеть от напряжения. Именно поэтому скачки напряжения могут снизить силу МП. При соединении концов обмотки устройство начнет снабжаться электрическим током.

Принцип работы автотрансформатора

Здесь мы рассмотрим принцип работы автотрансформатора. Эти устройства можно отнести к трансформаторам, которые имеют специальное использование. Обмотки в этом устройстве связаны между собою не только магнитным полем, но и гальваническим.

При переключении обмоток можно получить как высокое, так и низкое напряжение. Переменное магнитное поле возникает в момент подключения переменного тока к сердечнику. Благодаря устройству сердечника небольшое напряжение способно создавать сильное МП. Автотрансформаторы довольно часто используют в областях, где существует незначительное изменение напряжения.

На сегодняшний день существуют также узкоспециализированные лабораторные трансформаторы. Они имеют другой принцип работы трансформатора.

Их обмотка должна выполняться из ферромагнитного материала. Она сводит резонансное движение к минимуму. К основным его отличиям относят:

Кроме ферромагнетика используют медный провод.
Он имеет низкие допустимые параметры.
В нем работает система строчного ролика.

Эти трансформаторы также могут иметь недостатки, к которым относят:

Все цепи нужно изолировать, так как они имеют сильную связь.
Его нельзя использовать для защиты в мощных цепях.
Ремонт стоит достаточно дорого.

Работа гидротрансформатора

Наверное, каждый водитель бульдозера знает принцип работы гидротрансформатора. На самом деле прибор является муфтой, которая вращается два раза. Устанавливать его необходимо между двигателем. Это необходимо чтобы получить вращательное движение. Механизм напоминает бублик, но у него достаточно сложная конструкция:

По краям находятся специальные насосы. Передний прибор будет передавать жидкость на турбинное колесо.
Переднее колесо необходимо соединить с главным валом. Благодаря этому он будет передавать жидкость по механизму.

Как видите, принцип работы трансформатора у всех устройств практически одинаковый. Существуют некоторые особенности, но все зависит от его модели.

Автор: Владимир Васильев · Опубликовано 20 января 2016 · Обновлено 29 августа 2018

Своим появлением трансформатор обязан английскому ученому Майклу Фарадею. В 1831 году физик описал явление, которое назвал «электромагнитная индукция». Оно заключается в том, что в близко расположенных катушках (обмотках) проявляется ярко выраженная

электромагнитная взаимосвязь. То есть, если в первой катушке (первичной обмотке) создать переменный ток, то во второй катушке (вторичной обмотке) возбуждается напряжение с аналогичной частотой и мощностью, зависящей от многих параметров, которые рассмотрим далее.

Трансформаторы напряжения назначение и принцип действия

Трансформаторы напряжения предназначены для преобразования энергии источника напряжения в напряжение с нужным нам значением (амплитудой). Нужно заметить, что такие трансформаторы работают только с переменным напряжением и его частота остается неизменной.

Для чего нужен трансформатор напряжения?

Трансформаторы напряжения, в силу своей универсальности, необходимы в блоках питания, устройствах обработки сигналов, передающих устройствах, аппаратах передачи электроэнергии и во многом другом оборудовании.

По коэффициенту трансформации эти устройства могут делиться на 3 типа:

трансформатор напряжения понижающий – на выходе устройства напряжение ниже входного (n>1), например, применяется в блоках питания;
повышающий трансформатор – на выходе устройства напряжение выше, чем напряжение на входе (n Как работает трансформатор напряжения?

После того, как в первичной обмотке появится переменное напряжение U1, в магнитопроводе возникает переменный магнитный поток Ф, который возбуждает напряжение во вторичной обмотке U2. Это наиболее простое и краткое описание принципа работы трансформатора напряжения.

Самым главным параметром трансформаторов является «коэффициент трансформации» и обозначается латинской «n». Он вычисляется делением напряжение в первичной обмотке на напряжение во вторичной обмотке или количества витков в первой катушки на количество витков во второй катушке.

Этот коэффициент позволяет рассчитать необходимые параметры вашего трансформатора для выбранного устройства. Например, если первичная обмотка имеет 2000 витков, а вторичная -100 витков, то n=20. При напряжении сети 240 вольт, на выходе устройства должно быть 12 вольт. Так же, можно определить количество витков при заданных, входном и выходном, напряжениях.

Чем отличается трансформатор тока от трансформатора напряжения?

По определению эти устройства предназначены для работы с разными электрическими величинами, как основными и соответственно, схемы включения будут различными. Например, трансформатор тока питается от источника тока и не работает, даже может выйти из строя, если его обмотки не нагружены и через них не идет электрический ток. Трансформатор напряжения питаются от источников напряжения и, наоборот, не может долго работать в режиме с большими токовыми нагрузками.

Измерительные трансформаторы напряжения и тока

При эксплуатации оборудования с высокими рабочими напряжениями и большими токами потребления встает вопрос их измерения и контроля. Здесь на помощь приходят измерительные трансформаторы. Они обеспечивают гальваническую развязку измерительного оборудования от цепей с повышенной опасностью и снижение измеряемой величины до уровня, необходимого для замеров.

Дополнительная информация

Прежде чем покупать трансформатор напряжение, нужно проанализировать все требования, выдвигаемые к устройству. Необходимо учитывать не только рабочие напряжения, но и токи нагрузки при использовании трансформатора в различных приборах.

Трансформаторы напряжения можно изготовить самому, но если вам нужен простой бытовой трансформатор с напряжением на 220 вольт и понижением до 12 вольт, то лучше его приобрести. Сколько стоят трансформаторы напряжения можно узнать на любом интернет-сайте, как правило, на бытовые понижающие трансформаторы напряжения цены не очень высоки.

Трансформатор – устройство и принцип работы

Трансформатор – статический электромагнитный аппарат для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения, той же частоты. Трансформаторы применяют в электрических цепях при передаче и распределении электрической энергии, а также в сварочных, нагревательных, выпрямительных электроустановках и многом другом.

Трансформаторы различают по числу фаз, числу обмоток, способу охлаждения. В основном используются силовые трансформаторы, предназначенные для повышения или понижения напряжения в электрических цепях.

Устройство и принцип работы

Схема однофазного двухобмоточного трансформатора представлена ниже.

На схеме изображены основные части: ферромагнитный сердечник, две обмотки на сердечнике. Первая обмотка и все величины которые к ней относятся (i1-ток, u1-напряжение, n1-число витков,Ф1 – магнитный поток) называют первичными, вторую обмотку и соответствующие величины – вторичными.

Первичную обмотку включают в сеть с переменным напряжением, её намагничивающая сила i1n1 создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф, который сцеплен с обеими обмотками и в них индуцирует ЭДС e1= -n1 dФ/dt, e2= -n2dФ/dt. При синусоидальном изменении магнитного потока Ф = Фm sinωt , ЭДС равно e = Em sin (ωt-π/2). Для того чтобы посчитать действующее значение ЭДС нужно воспользоваться формулой E=4.44 f n Фm, где f- циклическая частота, n – количество витков, Фm – амплитуда магнитного потока. Причем если вы хотите посчитать величину ЭДС в какой либо из обмоток, нужно вместо n подставить число витков в данной обмотке.

Из приведенных выше формул можно сделать вывод о том, что ЭДС отстает от магнитного потока на четверть периода и отношение ЭДС в обмотках трансформатора равно отношению чисел витков E1/E2=n1/n2.

Если вторая обмотка не находится под нагрузкой, значит трансформатор находится в режиме холостого хода. В этом случае i2 = 0, а u2=E2, ток i1 мал и мало падение напряжения в первичной обмотке, поэтому u1≈E1 и отношение ЭДС можно заменить отношением напряжений u1/u2 = n1/n2 = E1/E2 = k. Из этого можно сделать вывод, что вторичное напряжение может быть меньше или больше первичного, в зависимости от отношения чисел витков обмоток. Отношение первичного напряжения ко вторичному при холостом ходе трансформатора называется коэффициентом трансформации k.

Как только вторичная обмотка подключается к нагрузке, в цепи возникает ток i2, то есть совершается передача энергии от трансформатора, который получает ее из сети, к нагрузке. Передача энергии в самом трансформаторе происходит благодаря магнитному потоку Ф.

Обычно мощность на выходе и мощность на входе приблизительно равны, так как трансформаторы являются электрическими машинами с довольно высоким КПД, но если требуется произвести более точный расчет, то КПД находиться как отношение активной мощности на выходе к активной мощности на входе η = P2/P1.

Магнитопровод трансформатора представляет собой закрытый сердечник собранный из листов электротехнической стали толщиной 0,5 или 0,35мм. Перед сборкой листы с обеих сторон изолируют лаком.

По типу конструкции различают стержневой (Г-образный) и броневой (Ш-образный) магнитопроводы. Рассмотрим их структуру.

Стержневой трансформатор состоит из двух стержней, на которых находятся обмотки и ярма, которое соединяет стержни, собственно, поэтому он и получил свое название. Трансформаторы этого типа применяются значительно чаще, чем броневые трансформаторы.

Броневой трансформатор представляет собой ярмо внутри которого заключается стержень с обмоткой. Ярмо как бы защищает стержень, поэтому трансформатор называется броневым.

Обмотка

Конструкция обмоток, их изоляция и способы крепления на стержнях зависят от мощности трансформатора. Для их изготовления применяют медные провода круглого и прямоугольного сечения, изолированные хлопчатобумажной пряжей или кабельной бумагой. Обмотки должны быть прочными, эластичными, иметь малые потери энергии и быть простыми и недорогими в изготовлении.

Охлаждение

В обмотке и сердечнике трансформатора наблюдаются потери энергии, в результате которых выделяется тепло. В связи с этим трансформатору требуется охлаждение. Некоторые маломощные трансформаторы отдают свое тепло в окружающую среду, при этом температура установившегося режима не влияет на работу трансформатора. Такие трансформаторы называют “сухими”, т.е. с естественным воздушным охлаждением. Но при средних и больших мощностях, воздушное охлаждение не справляется, вместо него применяют жидкостное, а точнее масляное. В таких трансформаторах обмотка и магнитопровод помещены в бак с трансформаторным маслом, которое усиливает электрическую изоляцию обмоток от магнитопровода и одновременно служит для их охлаждения. Масло принимает теплоту от обмоток и магнитопровода и отдает ее стенкам бака, с которых тепло рассеивается в окружающую среду. При этом слои масла имеющие разницу в температуре циркулируют, что улучшает теплообмен. Трансформаторам с мощностью до 20-30 кВА хватает охлаждения бака с гладкими стенками, но при больших мощностях устанавливаются баки с гофрированными стенками. Также нужно учитывать что при нагреве масло имеет свойство увеличиваться в объеме, поэтому в высокомощных трансформаторах устанавливают резервные баки и выхлопные трубы (в случае если масло закипит, появятся пары которым нужен выход). В трансформаторах меньшей мощности ограничиваются тем, что масло не заливают до самой крышки.

Читайте также – Приведение обмоток трансформатора

Трансформатор — урок. Физика, 9 класс.

Переменный ток обладает ещё одним важным свойством: его напряжение можно сравнительно легко менять — трансформировать (слово «трансформация» образовано от латинского слова transformo — «преобразую»). Достигается это посредством несложного устройства — трансформатора, созданного в \(1876\) году русским учёным Павлом Николаевичем Яблочковым.

Трансформатор — устройство, осуществляющее повышение и понижение напряжения переменного тока при неизменной частоте и незначительных потерях мощности.

Простейший трансформатор состоит из двух катушек изолированного провода и замкнутого стального сердечника, проходящего сквозь обе катушки. Катушки изолированы друг от друга и от сердечника. Одна из катушек, называемая первичной, включается в сеть переменного тока. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Магнитное поле первичной катушки — переменное и меняется с той же частотой, что и ток в первичной катушке. Переменный ток в первой катушке создаёт в стальном сердечнике переменное магнитное поле. Это переменное магнитное поле пронизывает другую катушку, называемую вторичной, и создаёт в ней переменный индукционный ток.

Допустим, что первичная катушка имеет w1 витков, и по ней проходит переменный ток при напряжении U1. Вторичная обмотка имеет w2 витков, и в ней индуцируется переменный ток при напряжении U2.

Опыт показывает, что во сколько раз число витков вторичной катушки больше (или меньше) числа витков на первичной катушке, во столько же раз напряжение на вторичной катушке больше (или меньше) напряжения на первичной катушке:

U2U1=w2w1=k.

Величина \(k\) называется коэффициентом трансформации. Коэффициент равен отношению числа витков вторичной обмотки к числу витков в первичной обмотке.

Во сколько раз увеличивается напряжение на вторичной обмотке трансформатора, примерно во столько же раз уменьшается в ней сила тока при работе нагруженного трансформатора.

В результате мощность тока в первичной и вторичной обмотках трансформатора почти одинакова, поэтому коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора близок к единице. КПД у мощных трансформаторов достигает \(99,5\) %.

Как работает трансформатор для чайников

Для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжения другой величины, используют трансформатор напряжения. Трансформатор напряжения работает благодаря явлению электромагнитной индукции: изменяющийся во времени магнитный поток порождает ЭДС в пронизываемой им обмотке (или обмотках).

Первичная обмотка трансформатора соединяется своими выводами с источником переменного напряжения, а к выводам вторичной обмотки присоединяется нагрузка, которую необходимо питать напряжением более низким или более высоким, чем напряжение источника, от которого питается данный трансформатор.

Благодаря наличию сердечника (магнитопровода), магнитный поток, создаваемый первичной обмоткой трансформатора, не рассеивается где попало, а сосредоточен главным образом в ограниченном сердечником объеме. Переменный ток, действующий в первичной обмотке, намагничивает сердечник то в одном, то — в противоположном направлении, при этом изменение магнитного потока происходит не рывками, а гармонически, синусоидально (если речь идет о сетевом трансформаторе).

Можно сказать, что железо сердечника увеличивает индуктивность первичной обмотки, то есть повышает ее способность создавать магнитный поток при прохождении тока, и улучшает свойство препятствовать нарастанию тока при приложении к выводам обмотки напряжения. Поэтому на холостом ходу (в не нагруженном режиме) трансформатор потребляет сущие миллиамперы, хотя изменяющееся напряжение на обмотку действует.

Вторичная обмотка является у трансформатора принимающей. Она принимает изменяющийся магнитный поток, порождаемый током первичной обмотки, и посылаемый благодаря магнитопроводу сквозь свои витки. Изменяющийся с определенной скоростью магнитный поток, пронизывающий витки вторичной обмотки, по закону электромагнитной индукции наводит в каждом ее витке определенную ЭДС. Эти индуцированные ЭДС складываются в каждый момент времени от витка к витку, формируя напряжение вторичной обмотки (напряжение холостого хода трансформатора).

Здесь своевременным будет отметить, что чем быстрее изменяется магнитный поток в сердечнике, тем большее напряжение наводится на каждом витке вторичной обмотки трансформатора. А поскольку и первичная и вторичная обмотки пронизываются одним и тем же магнитным потоком (создаваемым переменным током первичной обмотки), то и напряжение на каждом витке как первичной, так и вторичной обмотки, получается одинаковым, исходя из величины магнитного потока и скорости его изменения.

Если копнуть глубже, то изменяющийся магнитный поток в сердечнике создает в пространстве вокруг себя электрическое поле, напряженность которого тем больше, чем выше скорость изменения магнитного потока, и чем больше величина этого изменяющегося магнитного потока. Данное вихревое электрическое поле действует на электроны, расположенные в проводе вторичной обмотке, толкает их в определенную сторону, поэтому на концах вторичной обмотки можно измерить электрическое напряжение.

Если ко вторичной обмотке трансформатора подключить нагрузку, то по ней потечет ток, а значит в сердечнике возникнет магнитный поток, создаваемый этим током вторичной обмотки.

Магнитный поток, порождаемый током вторичной обмотки, то есть током нагрузки, окажется направлен (см. правило Ленца) против магнитного потока первичной обмотки, и значит наведет в первичной обмотке противо-ЭДС, которая приведет к росту тока в первичной обмотке, и соответственно — к увеличению потребляемой трансформатором от сети мощности.

Возникновение противоположного первичному, вторичного магнитного потока внутри сердечника, в качестве эффекта от подключенной нагрузки, эквивалентно уменьшению индуктивности первичной обмотки. Вот почему трансформатор под нагрузкой потребляет значительно больше электрической энергии, чем на холостом ходу.

1. Принцип работы трансформатора.

Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции.

Если на первичную обмотку подать переменное напряжение U1, то по виткам обмотки потечет переменный ток Io, который вокруг обмотки и в магнитопроводе создаст переменное магнитное поле. Магнитное поле образует магнитный поток Фo, который проходя по магнитопроводу пересекает витки первичной и вторичной обмоток и индуцирует (наводит) в них переменные ЭДС – е1 и е2. И если к выводам вторичной обмотки подключить вольтметр, то он покажет наличие выходного напряжения U2, которое будет приблизительно равно наведенной ЭДС е2.

В результате размагничивающего действия потока Ф2 в магнитопроводе устанавливается магнитный поток Фo равный разности потоков Ф1 и Ф2 и являющийся частью потока Ф1, т.е.

Таким образом, разность потоков Ф1 и Ф2 не может быть равна нулю, так как в этом случае отсутствовал бы основной поток Фo, а без него не мог бы существовать поток Ф2 и ток I2. Следовательно, магнитный поток Ф1, создаваемый первичным током I1, всегда больше магнитного потока Ф2, создаваемого вторичным током I2.

Величина магнитного потока зависит от создающего его тока и от числа витков обмотки, по которой он проходит.

2. Устройство трансформатора.

2.1. Магнитопровод. Магнитные материалы.

2.2. Типы магнитопроводов.

На этом пока закончим. Продолжим во второй части.
Удачи!

Тема: пояснение работы и устройства силового трансформатора электрического.

Обычный силовой трансформатор является достаточно важным и распространенным электротехническим устройством. Он позволяет преобразовывать напряжение и ток в нужные величины. Конструктивно он прост, имеется магнитный сердечник определенной формы, на который наматываются обмотки изолированного провода (медный, чаще всего). Эти обмотки делятся на первичную (входную) и вторичную (выходная). Их может быть не две (входная и выходная), а более двух (несколько входных и выходных) в зависимости от конкретного назначения силового трансформатора.

В основе работы любого трансформатора заложен один простой принцип, точнее электро физическое явление — это электромагнитная индукция. Что это такое? Все очень просто! Электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц (в твердых телах это электроны. а в жидких и газообразных это ионы). При движении заряда по проводнику вокруг него образуется магнитное поле (именно движущегося заряда, вокруг недвижущегося имеется только электрическое поле). Магнитное поле также существует вокруг постоянных магнитов. Так вот, если взять кусок изолированного провода, намотать из него катушку, подсоединить к концам этой катушки вольтметр, после чего быстро провести возле катушки магнитом, то мы на вольтметре увидим скачок электрического напряжения. Получается, что если постоянно воздействовать на катушку магнитным полем (движущемся), то можно из нее получить некий источник или преобразователь электрической энергии.

В трансформаторе одна катушка (первичная, входная) выполняет роль источника магнитного поля. Стоит учесть, что магнитное поле должно быть обязательно переменным (постоянно меняющееся в направлении и величине). На эту входную катушку подается переменное напряжение определенной величины (то, на которую рассчитана эта катушка, чтобы основная часть электрической энергии тратилось именно на создание магнитного поля, и лишь минимальная его часть тратилась на выделение тепла, это неизбежные потери).

В результате вокруг этой входной катушки образуется переменное магнитное поле, которое по сердечнику передается на вторую катушку. Как было сказано выше, если воздействовать на проводник переменным магнитным полем, на нем индуцируется электродвижущая сила (ЭДС). То есть, на выходной катушке появляется напряжение. Вот и получаем простой электромагнитный преобразователь электрической энергии.

Материал сердечника трансформатора подбирается так, чтобы он максимально хорошо проводил через себя электромагнитные поля, усиливая их. В итоге мы имеем несколько цепей. Первая — электрическая, которая образована движением зарядов по первичной обмотке. Она вокруг себя образовывает магнитное поле, которое замыкается по контуру магнитного сердечника, и это вторая цепь (электромагнитная, смещена на 90 градусов). Ну, а третья цепь опять электрическая, которая образована вторичной обмоткой (где индуцируется напряжение) и подключенной к ней нагрузкой (она также смещена на 90 градусов относительно магнитной цепи).

От количества витков на катушке зависит напряжение, а от сечения провода этой катушки зависит сила тока. То есть, если первичная и вторичная катушка будут иметь одинаковое количество витков — выходное напряжение будет такое же как и входное. Если вторичную обмотку намотать в два раза больше (по количеству витков), то и выходное напряжение увеличится вдвое (относительно входного). От диаметра провода катушки зависит выходной ток. При большой нагрузке и слишком малом сечении провода будет происходит нагрев катушки, что может привести к перегреву, повреждению изоляции и выходу из строя трансформатора.

Существуют специальные таблицы, в которых указаны нужные сечения проводов с учетом определенной плотности тока в них. При расчете трансформатора и выборе сечения провода под нужный выходной ток необходимо брать данные с этих таблиц.

Что касается магнитопровода, который замыкает магнитные поля на себе. Чем лучше материал магнитопровода проводит через себя электромагнитные поля, тем выше коэффициент полезного действия трансформатора. Следовательно, существуют специальные сплавы, имеющие лучшие электромагнитные характеристики, которые и используют в сердечнике трансформаторов. Помимо этого в трансформаторе не должны быть зазоров между частями магнитопровода (на пути течения магнитного поля). Только лишь при полной замкнутости магнитопровода можно получить минимальные потери при трансформации электрической энергии.

Работа трансформатора также зависит от частоты тока, который подается на входную обмотку. Чем выше частота тока, тем лучше происходит трансформация энергии. То есть, с повышением частоты будут уменьшаться размеры трансформатора при тех же выходных мощностях. Если взять обычный трансформатор, который рассчитан на сетевое напряжение стандартной частоты в 50 герц, то он по размерам будет значительно больше того, который будет работать на килогерцовых частотах. Но там уже и магнитопровод используется из других ферромагнитных материалов.

Более короче работу трансформатора можно выразить так — на входную обмотку подается переменное напряжение (которое должно быть изначально рассчитано), в катушке начинает течь переменный ток, который образовывает переменное магнитное поле вокруг себя. Это магнитное поле начинает протекать по магнитопроводу сердечника трансформатора проходя также через выходную катушку. В результате на этой выходной обмотке образуется переменное напряжение, величина которого зависит от количества витков катушек. При подключении нагрузки к выходной обмотки мы получаем течение переменного тока в выходной цепи.

Как работают электрические трансформаторы?

Как работают электрические трансформаторы? – Объясни это Рекламное объявление

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 27 мая 2020 г.

Могучие линии электропередач, которые пересекаются наша сельская местность или незаметное шевеление под улицами города несут электричество при очень высоких напряжениях от источника питания растения в наши дома. Для линии электропередачи нет ничего необычного в рейтинге. от 400000 до 750000 вольт! Но бытовая техника в наших домах использует напряжения в тысячи раз меньше – обычно всего от 110 до 250 вольт.Если вы пытались включить тостер или телевизор от опоры электричества, мгновенно взорваться! (Даже не думайте пытаться, потому что электричество в воздушных линиях почти наверняка убьет вас.) какой-то способ снизить потребление электроэнергии высокого напряжения от электростанций до электричество более низкого напряжения, используемое фабриками, офисами и домами. Устройство, которое это делает, гудит от электромагнитных волн. энергия, как она идет, называется трансформатором. Давайте подробнее рассмотрим, как это работает!

Фото: Взрыв из прошлого: Трансформатор странной формы на плотине Чикамауга недалеко от Чаттануги, Теннесси.Сфотографировано в 1942 году Альфредом Т. Палмером, Управление военного управления, любезно предоставлено Библиотекой Конгресса США.

Почему мы используем высокое напряжение?

Фото: Спуск: эта старая подстанция (понижающий трансформатор) снабжает электроэнергией маленькую английскую деревню, где я живу. Его высота составляет около 1,5 м (5 футов), и его задача – преобразовывать несколько тысяч вольт входящей электроэнергии в сотни вольт, которые мы используем в наших домах.

Ваш первый вопрос, наверное, такой: если наши дома и офисы с помощью копировальных аппаратов, компьютеры стиральные машины и электробритвы рассчитаны на 110–250 вольт, почему бы электростанциям просто не передавать электричество при таком напряжении? Почему они используют такое высокое напряжение? К Объясните это, нам нужно немного узнать о том, как распространяется электричество.

Как электричество течет по металлу проволока, электроны, которые несут свою энергию покачиваться сквозь металлическую конструкцию, ударяясь и разбиваясь о обычно тратит энергию как непослушный школьники бегут по коридору. Вот почему провода нагреваются, когда через них течет электричество (что очень полезно в электрических тостерах и других приборы, использующие ТЭНы). Оказывается, что чем выше напряжение электричества, которое вы используете, и тем ниже ток, тем меньше энергии тратится таким образом.Итак, электричество, которое приходит от электростанций передается по проводам под очень высоким напряжением в экономить энергию.

Но есть и другая причина. Промышленные предприятия имеют огромные фабрики машины, которые намного больше и более энергоемкие, чем все, что вы есть дома. Энергия, которую использует прибор, напрямую связана (пропорциональна) к используемому напряжению. Таким образом, вместо того, чтобы работать от 110–250 вольт, энергоемкие машины могут использовать 10 000–30 000 вольт. Небольшим предприятиям и механическим цехам могут потребоваться источники питания на 400 вольт или около того.Другими словами, разное электричество пользователям нужны разные напряжения. Имеет смысл отгружать высоковольтные электричество от электростанции, а затем преобразовать его в более низкое напряжение при достижении различных пунктов назначения. (Даже в этом случае централизованные электростанции все еще очень неэффективны. Около двух третей энергии, поступающей на электростанцию, в виде сырого топлива, тратится на самом заводе и по пути к вам домой.)

На фото: изготовление больших электрических трансформаторов на заводе Westinghouse во время Второй мировой войны.Фото Альфреда Т. Палмера, Управление военного управления, любезно предоставлено Библиотекой Конгресса США.

Рекламные ссылки

Как работает трансформатор?

Трансформатор основан на очень простом факте об электричестве: когда по проводу течет колеблющийся электрический ток, он создает магнитное поле (невидимый образец магнетизма) или «магнитный поток» все вокруг него. Сила магнетизма (которая имеет довольно техническое название плотности магнитного потока) непосредственно связанный с величина электрического тока.Так что чем больше ток, тем сильнее магнитное поле. Теперь есть еще один интересный факт о электричество тоже. Когда магнитное поле колеблется вокруг провод, он генерирует электрический ток в проводе. Итак, если мы поставим вторая катушка проволоки рядом с первой, и посылает колеблющийся электрический ток в первую катушку, мы создадим электрический ток во втором проводе. Ток в первой катушке обычно называется первичным током, а ток во втором проводе это (сюрприз, сюрприз) вторичный ток.Что мы сделали вот пропустить электрический ток через пустое пространство от одной катушки провод к другому. Это называется электромагнитным индукция, потому что ток в первой катушке вызывает (или “индуцирует”) ток во второй катушке. Мы можем сделать так, чтобы электрическая энергия передавалась более эффективно от одной катушки к другой, обернув их вокруг прутка из мягкого железа (иногда называемого сердечником):

Чтобы сделать катушку из проволоки, мы просто скручиваем проволоку в петли или («повороты», как их любят называть физики).Если вторая катушка имеет такое же количество витков, что и первая катушка, электрический ток в вторая катушка будет практически такого же размера, как и первая. катушка. Но (и вот что самое интересное), если у нас будет больше или меньше ходов во второй катушке мы можем сделать вторичный ток и напряжение больше или меньше, чем первичный ток и напряжение.

Важно отметить, что этот трюк работает, только если электрический ток каким-то образом колеблется. Другими словами, у вас есть использовать тип постоянно меняющегося электричества, называемый переменным ток (переменный ток) с трансформатором.Трансформаторы не работают с постоянным током (DC), где постоянный ток постоянно течет в одном и том же направление.

Понижающие трансформаторы

Если у первой катушки больше витков, чем у второй катушки, вторичная напряжение меньше, чем первичное напряжение:

Это называется понижающей трансформатор. Если вторая катушка имеет половину столько витков, сколько первая катушка, вторичное напряжение будет вдвое меньше величина первичного напряжения; если во второй катушке на одну десятую меньше оказывается, он имеет одну десятую напряжения.Всего:

Вторичное напряжение ÷ Первичное напряжение = Число витков во вторичной обмотке ÷ Число витков в начальной

Ток преобразуется в обратную сторону – увеличивается в размере – в понижающий трансформатор:

Вторичный ток ÷ Первичный ток = Количество витков в первичный ÷ Количество витков вторичного

Так понижающий трансформатор со 100 витками в первичной обмотке и 10 катушки во вторичной обмотке снизят напряжение в 10 раз, но одновременно умножьте ток в 10 раз.Сила в электрический ток равен току, умноженному на напряжение (Вт = вольт x ампер – один из способов запомнить это), так что вы можете увидеть мощность в вторичная катушка теоретически такая же, как мощность в первичная обмотка. (На самом деле между первичный и вторичный, потому что часть «магнитного потока» просачивается наружу. сердечника часть энергии теряется из-за его нагрева и т. д.)

Повышающие трансформаторы

Изменяя ситуацию, мы можем сделать шаг вперед трансформатор, который увеличивает низкое напряжение в высокое:

На этот раз у нас больше витков на вторичной катушка, чем первичная.По-прежнему верно, что:

Вторичное напряжение ÷ Первичное напряжение = Количество витков в вторичный ÷ Количество витков первичной обмотки

Вторичный ток ÷ Первичный ток = Количество витков в первичный ÷ Количество витков вторичного

В повышающем трансформаторе мы используем больше витков во вторичной обмотке, чем в первичный, чтобы получить большее вторичное напряжение и меньшее вторичное Текущий.

Рассматривая как понижающие, так и повышающие трансформаторы, вы можете видеть, что это общее правило: катушка с наибольшим числом витков имеет наибольшее напряжение, а катушка с наименьшим числом витков имеет самый высокий ток.

Трансформаторы в вашем доме

Фото: Типичные домашние трансформаторы. Против часовой стрелки слева вверху: модем-трансформер, белый трансформер в iPod. зарядное устройство и зарядное устройство для мобильного телефона.

Как мы уже видели, в городах много огромных трансформаторов. и города, где подведена высоковольтная электроэнергия от входящих линий электропередач. преобразуется в более низкое напряжение. Но есть много трансформаторов в Ваш дом тоже. Большие электрические приборы, такие как стиральные и посудомоечные машины, используют относительно высокое напряжение. 110–240 вольт, но электронные устройства, такие как портативные компьютеры и зарядные устройства для MP3-плееров и мобильных телефонов, используют относительно крошечные напряжения: ноутбуку нужно около 15 вольт, зарядному устройству iPod – 12 вольт, а мобильному телефону обычно требуется менее 6 вольт, когда вы зарядить его аккумулятор.Таким образом, у таких электронных устройств есть небольшие встроенные в них трансформаторы (часто устанавливаются в конце силового свинец) для преобразования 110–240 вольт бытовой питание на меньшее напряжение, которое они могут использовать. Если вы когда-нибудь задумывались, почему у таких вещей, как мобильные телефоны, есть большие толстые короткие шнуры питания, потому что они содержат трансформаторы!

Фотографии: электрическая зубная щетка, стоящая на зарядном устройстве. Батарея в щетке заряжается за счет индукции: нет прямого электрического контакта между пластиковой щеткой и пластиковым зарядным устройством в основании.Индукционное зарядное устройство – это особый вид трансформатора, разделенный на две части: одна в основании, а другая – в щетке. Невидимое магнитное поле связывает две части трансформатора вместе.

Индукционные зарядные устройства

Многие домашние трансформаторы (например, те, что используются в iPod и сотовые телефоны) предназначены для зарядки аккумуляторных батарей. Вы можете точно увидеть, как они работают: течет электричество в трансформатор из розетки на стене, попадает преобразуется в более низкое напряжение и перетекает в аккумулятор в вашем iPod или телефон.Но что происходит с чем-то вроде электрической зубной щетки, у которой нет кабель питания? Он заряжается немного другим типом трансформатор, одна из катушек которого находится в основании щетки, и другой в зарядном устройстве, на котором стоит щетка. Вы можете узнать О том, как работают подобные трансформаторы, читайте в нашей статье об индукционных зарядных устройствах.

Трансформаторы на практике

Если у вас есть дома некоторые из этих зарядных устройств для трансформаторов (обычные или индукционные), вы заметите, что они нагреваются после того, как пробыли какое-то время.Поскольку все трансформаторы выделяют некоторое количество отработанного тепла, ни один из них не является полностью эффективным: вторичная обмотка вырабатывает меньше электроэнергии, чем мы подаем в первичную, и именно отработанное тепло составляет большую часть разницы. На небольшом домашнем зарядном устройстве для мобильного телефона потери тепла довольно минимальны (меньше, чем у старомодной лампы накаливания), и обычно не о чем беспокоиться. Но чем больше трансформатор, тем больший ток он несет и тем больше тепла он производит.Для трансформатора подстанции, подобного изображенному на нашем верхнем фото, ширина которого примерно равна ширине небольшого автомобиля, отходящее тепло может быть действительно значительным: оно может повредить изоляцию трансформатора, серьезно сократить срок его службы и сделать его гораздо менее надежным (давайте не забывайте, что сотни или даже тысячи людей могут зависеть от мощности от одного трансформатора, который должен надежно работать не только изо дня в день, но из года в год). Вот почему вероятное повышение температуры трансформатора во время работы является очень важным фактором в его конструкции.Необходимо учитывать типичную «нагрузку» (насколько интенсивно он используется), сезонный диапазон наружных (окружающих) температур и даже высота (которая снижает плотность воздуха и, следовательно, эффективность его охлаждения) – все это необходимо учитывать. выяснить, насколько эффективно будет работать наружный трансформатор.

На практике большинство больших трансформаторов имеют встроенные системы охлаждения, использующие воздух, жидкость (масло или вода) или и то, и другое для отвода отработанного тепла. Обычно основная часть трансформатора (сердечник, первичная и вторичная обмотки) погружается в масляный бак с теплообменником. насос и охлаждающие ребра прикреплены.Горячее масло перекачивается из верхней части трансформатора через теплообменник (который охлаждает его) и обратно в нижнюю часть, чтобы повторить цикл. Иногда масло перемещается по охлаждающему контуру только за счет конвекции без использования отдельного насоса. Некоторые трансформаторы имеют электрические вентиляторы, которые обдувают охлаждающие ребра теплообменника воздухом для более эффективного рассеивания тепла.

Изображение: Большие трансформаторы имеют встроенную систему охлаждения. В этом случае сердечник и катушка трансформатора (красный) находятся внутри большого масляного бака (серый).Горячее масло, взятое из верхней части резервуара, циркулирует через один или несколько теплообменников, которые отводят отработанное тепло с помощью охлаждающих ребер (зеленые), прежде чем возвращать масло в тот же резервуар внизу. Иллюстрация из патента США 4 413 674: Конструкция охлаждения трансформатора Рэндалла Н. Эйвери и др., Westinghouse Electric Corp., любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Что такое твердотельные трансформаторы?

Из прочтения выше вы поняли, что трансформаторы могут быть очень большими, очень неуклюжими, а иногда и очень неэффективными.С середины 20 века всевозможные аккуратные электрические трюки, которые раньше выполнялись крупными (а иногда и механическими) компоненты были сделаны электронным способом, с использованием так называемой «твердотельной» технологии. Так, например, поменяли местами переключающее и усилительное реле. для транзисторов, в то время как магнитные жесткие диски все чаще заменяются флэш-памятью (в таких вещах, как твердотельные накопители, твердотельные накопители и карты памяти USB).

В течение последних нескольких десятилетий инженеры-электронщики работали над разработкой так называемых твердотельных трансформаторов (SST).По сути, это компактные высокомощные высокочастотные полупроводниковые схемы, которые повышают или понижают напряжение с большей надежностью и КПД по сравнению с традиционными трансформаторами; они также намного более управляемы, поэтому больше реагировать на изменения спроса и предложения. «Умные сети» (будущие системы передачи электроэнергии, питаемые от прерывистых источников возобновляемые источники энергии, такие как ветряные турбины и солнечные фермы), поэтому будут основным приложением. Несмотря на огромный интерес, SST технологии по-прежнему используются относительно мало, но, вероятно, будут самая захватывающая область проектирования трансформаторов будущего.

Рекламные ссылки

Узнать больше

На этом сайте

На других сайтах

Книги

Для читателей постарше

Конструкция и применение трансформаторов Роберт М. Дель Веккио и др. CRC Press, 2018. Подробное руководство по трансформаторам питания.
Справочник по проектированию трансформаторов и индукторов, составленный полковником Уильямом Т. Маклайманом. CRC Press, 2011. Подробное практическое руководство по проектированию электрических машин с использованием индуктивности.
Электротрансформаторы и силовое оборудование Энтони Дж. Пансини. Fairmont Press, 1999. Объясняет теорию, конструкцию, установку и техническое обслуживание трансформаторов и различных типов трансформаторов перед тем, как перейти к рассмотрению соответствующих силовых устройств, таких как автоматические выключатели, предохранители и защитные реле.
Трансформеры и моторы Джорджа Патрика Шульца. Newnes, 1997. Эта книга гораздо более практическая, чем некоторые другие книги, перечисленные здесь; он предназначен больше для электриков и людей, которым приходится работать с трансформаторами, чем для тех, кто хочет их проектировать.
Трансформаторы и индукционные машины М. В. Бакши и У. А. Бакши. Технические публикации, 2009 г. Объясняет различные типы трансформаторов и связанное с ними электрическое оборудование, работающее по индукции.

Книги общего характера для младших читателей

Д.К. Свидетель: Электричество Стива Паркера. Дорлинг Киндерсли, 2005. Исторический взгляд на электричество и то, как люди применяют его на практике.
Сила и энергия Криса Вудфорда. Факты в файле, 2004.В одной из моих собственных книг описывается, как люди использовали энергию (включая электричество) на протяжении всей истории.

Патенты

Существуют сотни патентов на электрические трансформаторы различных типов. Вот несколько особенно интересных (ранних) из базы данных Управления по патентам и товарным знакам США:

Патент США 351 589: Система распределения электроэнергии Люсьена Голарда и Джона Гиббса, 26 октября 1886 г. Голлард и Гиббс описывают, как можно использовать трансформаторы для повышения и понижения напряжения для эффективного распределения энергии – основы современного электроснабжения. система во всем мире.
Патент США 433702: Электрический трансформатор или индукционное устройство, автор Никола Тесла, 5 августа 1890 г. Тесла описывает трансформатор со сдвигом фаз (такой, который может создавать разность фаз между первичным и вторичным токами).
Патент США 497113: Трансформаторный двигатель Отто Титуса Блати, 9 мая 1893 г. Комбинированный трансформатор и двигатель, произведенный одним из изобретателей трансформатора.
Патент США 1422653: Электрический трансформатор для регулирования или изменения напряжения тока, подаваемого от него, Эдмунд Берри, 11 июля 1922 г.Трансформатор с циферблатом, позволяющим регулировать выходное напряжение.

Новостные статьи

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Следуйте за нами

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом своим друзьям с помощью:

Цитируйте эту страницу

Вудфорд, Крис. (2007/2020) Трансформаторы электрические. Получено с https://www.explainthatstuff.com/transformers.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Подробнее на нашем сайте…

Как работают электрические трансформаторы?

Как работают электрические трансформаторы? – Объясни это Рекламное объявление

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 27 мая 2020 г.

Почему мы используем высокое напряжение?

Рекламные ссылки

Как работает трансформатор?

Понижающие трансформаторы

Вторичное напряжение ÷ Первичное напряжение = Число витков во вторичной обмотке ÷ Число витков в начальной

Ток преобразуется в обратную сторону – увеличивается в размере – в понижающий трансформатор:

Вторичный ток ÷ Первичный ток = Количество витков в первичный ÷ Количество витков вторичного

Повышающие трансформаторы

На этот раз у нас больше витков на вторичной катушка, чем первичная.По-прежнему верно, что:

Вторичный ток ÷ Первичный ток = Количество витков в первичный ÷ Количество витков вторичного

Трансформаторы в вашем доме

Индукционные зарядные устройства

Трансформаторы на практике

Что такое твердотельные трансформаторы?

Рекламные ссылки

Узнать больше

На этом сайте

На других сайтах

Книги

Для читателей постарше

Конструкция и применение трансформаторов Роберт М. Дель Веккио и др. CRC Press, 2018. Подробное руководство по трансформаторам питания.
Справочник по проектированию трансформаторов и индукторов, составленный полковником Уильямом Т. Маклайманом. CRC Press, 2011. Подробное практическое руководство по проектированию электрических машин с использованием индуктивности.
Электротрансформаторы и силовое оборудование Энтони Дж. Пансини. Fairmont Press, 1999. Объясняет теорию, конструкцию, установку и техническое обслуживание трансформаторов и различных типов трансформаторов перед тем, как перейти к рассмотрению соответствующих силовых устройств, таких как автоматические выключатели, предохранители и защитные реле.
Трансформеры и моторы Джорджа Патрика Шульца. Newnes, 1997. Эта книга гораздо более практическая, чем некоторые другие книги, перечисленные здесь; он предназначен больше для электриков и людей, которым приходится работать с трансформаторами, чем для тех, кто хочет их проектировать.
Трансформаторы и индукционные машины М. В. Бакши и У. А. Бакши. Технические публикации, 2009 г. Объясняет различные типы трансформаторов и связанное с ними электрическое оборудование, работающее по индукции.

Книги общего характера для младших читателей

Д.К. Свидетель: Электричество Стива Паркера. Дорлинг Киндерсли, 2005. Исторический взгляд на электричество и то, как люди применяют его на практике.
Сила и энергия Криса Вудфорда. Факты в файле, 2004.В одной из моих собственных книг описывается, как люди использовали энергию (включая электричество) на протяжении всей истории.

Патенты

Патент США 351 589: Система распределения электроэнергии Люсьена Голарда и Джона Гиббса, 26 октября 1886 г. Голлард и Гиббс описывают, как можно использовать трансформаторы для повышения и понижения напряжения для эффективного распределения энергии – основы современного электроснабжения. система во всем мире.
Патент США 433702: Электрический трансформатор или индукционное устройство, автор Никола Тесла, 5 августа 1890 г. Тесла описывает трансформатор со сдвигом фаз (такой, который может создавать разность фаз между первичным и вторичным токами).
Патент США 497113: Трансформаторный двигатель Отто Титуса Блати, 9 мая 1893 г. Комбинированный трансформатор и двигатель, произведенный одним из изобретателей трансформатора.
Патент США 1422653: Электрический трансформатор для регулирования или изменения напряжения тока, подаваемого от него, Эдмунд Берри, 11 июля 1922 г.Трансформатор с циферблатом, позволяющим регулировать выходное напряжение.

Новостные статьи

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

Следуйте за нами

Сохранить или поделиться этой страницей

Цитируйте эту страницу

Подробнее на нашем сайте…

Фактов о трансформаторах для детей

Трансформатор – это устройство, которое передает электрическую энергию от одной электрической цепи к другой посредством взаимной (электромагнитной индукции) и без изменения частоты. Трансформаторы – важная часть электрических систем.

Трансформаторы

производятся разных размеров, от очень маленького трансформатора связи внутри сценического микрофона до больших блоков, которые переносят сотни МВА, используемых в электрических сетях.

Основная причина использования трансформатора – преобразовать мощность одного уровня напряжения в мощность другого уровня напряжения. Высокое напряжение легче отправить на большие расстояния, но меньшее напряжение проще и безопаснее использовать в офисе или дома. Трансформаторы используются для увеличения или уменьшения напряжения переменного тока в цепях. Трансформатор обычно состоит из двух катушек на одном сердечнике. Первичная катушка или входная катушка подключены к стороне питания, а вторичная катушка подает питание на нагрузку.Вторая называется выходной катушкой. Энергия передается от первичной обмотки к вторичной за счет электромагнетизма. В электрических сетях используется много трансформаторов. Это сети для доставки электроэнергии от генератора к пользователю.

Трансформаторы в вашем районе, на электрических столбах или подключенные к подземным проводам, обычно преобразуют высокое напряжение 7200 вольт в 220-240 вольт электричества для питания освещения и таких приборов, как холодильники в домах и на предприятиях.В некоторых странах, например в Америке, в домах используется другое напряжение, например 120 вольт. Трансформаторы не могут увеличивать мощность, поэтому при повышении напряжения пропорционально снижается ток. Если напряжение понижается, ток пропорционально увеличивается.

Трансформаторы внутри электронного оборудования вырабатывают электричество, необходимое для различных частей.

Существует несколько основных типов трансформаторов:

Повышающий трансформатор: выходное напряжение больше входного напряжения.
Понижающий трансформатор: входное напряжение больше выходного напряжения.
Некоторые трансформаторы имеют то же выходное напряжение, что и входное, и используются для гальванической развязки двух электрических цепей.

Галерея

Детские картинки

Распределительный трансформатор на опоре со вторичной обмоткой с отводом от средней точки, используемый для обеспечения «расщепленной фазы» электропитания для жилых и легких коммерческих предприятий, которое в Северной Америке обычно составляет 120/240 В.
Измерительный трансформатор с точкой полярности и маркировкой X1 на выводе со стороны низкого напряжения
Состояние перевозбуждения силового трансформатора, вызванное понижением частоты; поток (зеленый), магнитные характеристики железного сердечника (красный) и ток намагничивания (синий).
Чередующиеся пластинки трансформатора E-I, показывающие воздушный зазор и пути потока
Испытание трансформатора подстанции.
Трансформатор на станции производства известняка в Манитобе, Канада
Пластины E-образной формы для сердечников трансформаторов, разработанные Westinghouse
Эквивалентная схема реального трансформатора
Трансформатор с ламинированным сердечником, на фото
вверху видна кромка пластин.
Малый трансформатор с тороидальным сердечником
Обмотки обычно располагаются концентрически, чтобы минимизировать утечку магнитного потока.
Трансформатор, погруженный в жидкость, в разрезе. Консерватор (резервуар) наверху обеспечивает изоляцию жидкости от атмосферы при изменении уровня охлаждающей жидкости и температуры. Стенки и ребра обеспечивают необходимый отвод тепла.
Эксперимент Фарадея с индукцией между витками проволоки
Индукционная катушка, 1900, Бремерхафен, Германия
Кольцевой трансформатор Фарадея
Трансформатор формы оболочки.Набросок, использованный Аппенборном для описания патентов 1885 года инженеров ZBD и самых ранних статей.
Команда ZBD состояла из Кароли Зиперновски, Отто Блати и Миксы Дери.

Основы электрических трансформаторов

Что такое электрические трансформаторы?

Электрические трансформаторы – это машины, передающие электричество из одной цепи в другую с изменением уровня напряжения, но без изменения частоты. Сегодня они рассчитаны на использование источника переменного тока, а это означает, что колебания напряжения питания зависят от колебаний тока.Таким образом, увеличение тока приведет к увеличению напряжения и наоборот.

Трансформаторы

помогают повысить безопасность и эффективность энергосистем, повышая и понижая уровни напряжения по мере необходимости. Они используются в широком спектре жилых и промышленных применений, в первую очередь и, возможно, наиболее важно для распределения и регулирования мощности на большие расстояния.

Строительство электрического трансформатора

Три важных компонента электрического трансформатора – это магнитный сердечник, первичная обмотка и вторичная обмотка.Первичная обмотка – это часть, которая подключена к источнику электричества, откуда первоначально создается магнитный поток. Эти катушки изолированы друг от друга, и основной поток индуцируется в первичной обмотке, откуда он передается на магнитный сердечник и соединяется со вторичной обмоткой трансформатора через путь с низким сопротивлением.

Сердечник передает поток на вторичную обмотку, чтобы создать магнитную цепь, которая замыкает поток, а внутри сердечника размещается путь с низким сопротивлением, чтобы максимизировать потокосцепление.Вторичная обмотка помогает завершить движение потока, который начинается на первичной стороне, и с помощью сердечника достигает вторичной обмотки. Вторичная обмотка способна набирать импульс, потому что обе обмотки намотаны на один и тот же сердечник, и, следовательно, их магнитные поля помогают создавать движение. Во всех типах трансформаторов магнитный сердечник собирается из многослойных стальных листов, оставляя минимально необходимый воздушный зазор между ними для обеспечения непрерывности магнитного пути.

Как работают трансформаторы?

В электрическом трансформаторе для работы используется закон электромагнитной индукции Фарадея: «Скорость изменения магнитной индукции во времени прямо пропорциональна наведенной ЭДС в проводнике или катушке».

Физическая основа трансформатора заключается во взаимной индукции между двумя цепями, которые связаны общим магнитным потоком. Обычно он имеет 2 обмотки: первичную и вторичную. Эти обмотки имеют общий магнитный сердечник, который является ламинированным, и взаимная индукция, возникающая между этими цепями, помогает передавать электричество из одной точки в другую.

В зависимости от количества связанного магнитного потока между первичной и вторичной обмотками будут разные скорости изменения магнитного потока.Чтобы обеспечить максимальную потокосцепление, то есть максимальный поток, проходящий через вторичную обмотку и связанный с ней от первичной обмотки, для обеих обмоток размещен путь с низким сопротивлением. Это приводит к повышению эффективности работы и образует сердечник трансформатора.

Приложение переменного напряжения к обмоткам в первичной обмотке создает переменный поток в сердечнике. Это связывает обе обмотки, чтобы навести ЭДС как на первичной, так и на вторичной стороне. ЭДС во вторичной обмотке вызывает ток, известный как ток нагрузки, если к вторичной части подключена нагрузка.

Таким образом электрические трансформаторы передают мощность переменного тока из одной цепи (первичной) в другую (вторичную) посредством преобразования электрической энергии из одного значения в другое, изменяя уровень напряжения, но не частоту.

Видео кредит: Инженерное мышление

Как работает трансформатор – Принцип работы электротехники

Электрический трансформатор – КПД и потери

В электрическом трансформаторе не используются движущиеся части для передачи энергии, что означает отсутствие трения и, следовательно, потерь на ветер.Однако электрические трансформаторы страдают от незначительных потерь в меди и железе. Потери меди возникают из-за потерь тепла при циркуляции токов по медным обмоткам, что приводит к потере электроэнергии. Это самые большие потери в работе электрического трансформатора. Потери в железе вызваны запаздыванием магнитных молекул, находящихся внутри сердечника. Это отставание происходит в ответ на изменение магнитного потока, которое приводит к трению, и это трение производит тепло, которое приводит к потере мощности в сердечнике.Эти потери можно значительно уменьшить, если сердечник изготовлен из специальных стальных сплавов.

Интенсивность потерь мощности определяет КПД электрического трансформатора и выражается в потерях мощности между первичной и вторичной обмотками. Результирующий КПД затем рассчитывается как отношение выходной мощности вторичной обмотки к мощности, потребляемой первичной обмоткой. В идеале КПД электрического трансформатора составляет от 94% до 96%

Типы трансформаторов

Электрические трансформаторы можно разделить на различные категории в зависимости от их конечного использования, конструкции, поставки и назначения.

На основе проектирования

Трансформатор с сердечником Этот трансформатор имеет две горизонтальные секции с двумя вертикальными ветвями и прямоугольный сердечник с магнитной цепью. Цилиндрические катушки (ВН и НН) размещены на центральном плече трансформатора сердечника.
Оболочка Трансформатор Трансформатор кожухового типа имеет двойную магнитную цепь и центральную ветвь с двумя внешними ветвями.

На основе поставки

Однофазный Трансформатор Однофазный трансформатор имеет только один набор обмоток.Отдельные однофазные блоки могут дать те же результаты, что и трехфазные переключатели, когда они соединены внешне.
Трехфазный Трансформатор Трехфазный (или трехфазный) трансформатор имеет три набора первичных и вторичных обмоток, образующих группу из трех однофазных трансформаторов. Трехфазный трансформатор в основном используется для производства, передачи и распределения электроэнергии в промышленности.

По основанию назначения

Повышающий трансформатор
Этот тип определяется количеством витков провода.Таким образом, если вторичный набор имеет большее количество витков, чем первичный, это означает, что напряжение будет соответствовать тому, которое образует базу повышающего трансформатора.
Понижающий трансформатор
Этот тип обычно используется для понижения уровня напряжения в сети передачи и распределения электроэнергии, поэтому его механизм полностью противоположен повышающему трансформатору.

На основании использования

Силовой трансформатор
Обычно используется для передачи электроэнергии и имеет высокий рейтинг.
Распределение трансформатор Этот электрический трансформатор имеет сравнительно более низкие характеристики и используется для распределения электроэнергии.
Инструмент трансформатор Этот электрический трансформатор подразделяется на трансформаторы тока и напряжения.
- Трансформатор тока
- Трансформатор потенциала

Эти трансформаторы используются для реле и защиты приборов одновременно.

На основе охлаждения

Самоохлаждающиеся масляные трансформаторы Этот тип обычно используется в небольших трансформаторах мощностью до 3 МВА и предназначен для самоохлаждения за счет окружающего воздушного потока.
Масляные трансформаторы с водяным охлаждением В этом типе электрических трансформаторов используется теплообменник для облегчения передачи тепла от масла к охлаждающей воде.
с воздушным охлаждением (воздушное охлаждение) Трансформаторы В трансформаторах этого типа выделяемое тепло охлаждается с помощью нагнетателей и вентиляторов, которые обеспечивают циркуляцию воздуха по обмоткам и сердечнику.

Основные характеристики трансформатора

Все трансформаторы имеют общие черты, независимо от их типа:

Частота входной и выходной мощности одинаковая
Все трансформаторы используют законы электромагнитной индукции
Первичная и вторичная катушки не имеют электрического соединения (за исключением автотрансформаторов). Передача энергии осуществляется посредством магнитного потока.
Для передачи энергии не требуются движущиеся части, поэтому отсутствуют потери на трение или ветер, как в других электрических устройствах.
Потери, которые возникают в трансформаторах, меньше, чем в других электрических устройствах, и включают:
- Потери в меди (потеря электроэнергии из-за тепла, создаваемого циркуляцией токов вокруг медных обмоток, считается самой большой потерей в трансформаторах)
- Потери в сердечнике (потери на вихревые токи и гистерезис, вызванные запаздыванием магнитных молекул в ответ на переменный магнитный поток внутри сердечника)

Большинство трансформаторов очень эффективны, вырабатывая от 94% до 96% энергии при полной нагрузке.Трансформаторы очень большой мощности могут выдавать до 98%, особенно если они работают с постоянным напряжением и частотой.

Применение электрического трансформатора

Основные области применения электрического трансформатора:

Повышение или понижение уровня напряжения в цепи переменного тока.
Увеличение или уменьшение значения индуктивности или конденсатора в цепи переменного тока.
Предотвращение прохождения постоянного тока из одной цепи в другую.
Изоляция двух электрических цепей.
Повышение уровня напряжения на объекте выработки электроэнергии до того, как может произойти передача и распределение.

Общие применения электрического трансформатора включают насосные станции, железные дороги, промышленность, коммерческие предприятия, ветряные мельницы и энергоблоки.

Советы по поиску и устранению неисправностей электрического трансформатора

Использование мультиметра – лучший способ проверить и устранить неисправности в электрической цепи.

Начните с проверки напряжения цепи, которую необходимо проверить.Этот шаг поможет вам определить тип лампочки, необходимой для сборки тестера цепей.
Вырежьте 2 полосы из провода AWG 16 калибра , убедившись, что каждая из них имеет длину не менее 12 дюймов.
Используйте инструмент для зачистки, чтобы удалить четверть внешнего пластика с обоих концов проводов и 1 дюйм внешнего пластика с двух других концов. Как только это будет сделано, скрутите оголенную проволоку, чтобы пряди соединялись.
Присоедините два конца, с которых вы сняли 1/4 ^– дюйма пластика, к клеммам патрона лампы.
Вставьте лампочку в патрон и прикрепите два оставшихся конца провода к клеммам, которые вы хотите проверить.

D&F Liquidators обслуживает потребности в строительных материалах для электротехники более 30 лет. Это международная информационная служба площадью 180 000 квадратных метров, расположенная в Хейворде, Калифорния. В нем хранится обширный перечень электрических разъемов, кабелепроводов, автоматических выключателей, распределительных коробок, проводных кабелей, предохранительных выключателей и т. Д.Он закупает электрические материалы у ведущих компаний по всему миру. Компания также ведет обширный инвентарь взрывозащищенной электротехнической продукции и современных решений в области электрического освещения. Поскольку компания D&F закупает материалы оптом, она занимает уникальное положение, предлагая конкурентоспособную структуру ценообразования. Кроме того, он может удовлетворить самые взыскательные запросы и отгрузить материал в тот же день.

Установите пользовательское содержимое вкладки HTML для автора на странице своего профиля Обратноходовые преобразователи

для чайников

Обратные преобразователи для чайников

Простой высоковольтный источник питания с обратноходовым преобразователем для ламп NIXIE.

Рональд Деккер

Особая благодарность Frans Schoofs, который действительно понимает, как работают обратноходовые преобразователи.

Если вас интересуют обратные преобразователи, возможно, вы захотите, чтобы
отслеживал мой текущий проект: µTracer:
– миниатюрный радиоламповый измеритель кривой

Щелкните здесь, чтобы прочитать о моем проекте преобразователя с низким уровнем шума от 6 до 90 В, который заменяет анодную батарею в аккумуляторных ламповых приемниках.

введение

В часах NIXIE, которые я построил, я не хотел иметь большие и уродливый сетевой трансформатор в самих часах. Вместо этого я использую кондиционер адаптер, который вставляется в розетку электросети. Это означает, что я должен использовать своего рода преобразователь с повышением частоты для создания анодного питания 180 В для NIXIE.

На этой странице описывается простой повышающий преобразователь и более эффективный обратный преобразователь. преобразователь, оба из которых могут использоваться в качестве источника питания высокого напряжения для 6 Дисплей трубки NIXIE.Франс Скуфс красиво объяснил мне, как работает обратного преобразователя и многое из того, что он мне объяснил, вы найдете отражено на этой странице. Я дополнительно объясняю основы индукторов и трансформаторы, которые вам нужно знать. Это просто практическое руководство Для начала, это не научный трактат по этой теме.

Что нужно знать об индукторах

Рассмотрим простую схему, состоящую из батареи, подключенной к индуктор с индуктивностью L и сопротивлением R (рис.1). Когда аккумулятор подключен к катушке индуктивности ток не сразу меняется с нуля до максимального значения V / R. Закон электромагнитной индукции, Закон Фарадея предотвращает это. Вместо этого происходит следующее. Поскольку ток увеличивается со временем, магнитный поток через этот петля пропорционально этому току увеличивается. Увеличивающийся поток вызывает ЭДС. в цепи, противодействующей изменению магнитного потока. Следовательно, по закону Ленца индуцированное электрическое поле в петле должно быть противоположным направлению тока.Поскольку величина ток увеличивается, скорость увеличения уменьшается и, следовательно, индуцированная ЭДС уменьшается. Этот противодействующий э.д.с. приводит к линейному увеличению в токе из расчета I = (В / л) * т. Увеличение тока, наконец, остановится, когда он станет ограничен последовательным сопротивлением индуктор. В этот момент количество магнитной энергии, хранящейся в индуктор составляет E = 0,5 * L * I * I.

фигура 1

На словах: катушка индуктивности не допускает резких изменений тока.Когда происходит изменение приложенного напряжения, индуктор всегда будет генерировать ЭДС что противодействует этому изменению. Когда цепь прервана например, катушка индуктивности по-прежнему будет пытаться поддерживать текущий ток. генерируя очень высокое напряжение на его выводах. Обычно это будет приводит к возникновению искры, в которой магнитная энергия, запасенная в катушке индуктивности выпущен. Такое поведение индукторов используется в повышающих преобразователях. для повышения напряжения до уровня выше напряжения батареи.

Такие материалы, как ферриты, могут использоваться для увеличения магнитного потока в индуктор.Когда к ферриту приложено магнитное поле, небольшой магнитный домены в феррите будут выравниваться с этим полем и увеличивать его величину. Таким образом, катушки индуктивности могут быть меньше и с меньшим числом витков и, следовательно, с меньшие последовательные сопротивления (меньшие потери). Обратите внимание, что переворачивание Использование этих доменов требует определенных затрат энергии, но в хороших ферритах это может быть очень мало.

С увеличением магнитного потока все больше и больше магнитных доменов указывают на направление поля. В определенный момент все магнитные домены указывают в направлении поля, и в этот момент мы говорим, что феррит насыщает.Любое дальнейшее увеличение тока приведет только к небольшому увеличение потока, в основном, как если бы феррита не было. С большинство ферритов имеют очень высокую проницаемость, и без того малые токи может привести к сильному магнитному потоку. В результате феррит будет насыщение током, который не подходит для преобразования энергии Приложения

Ферритовые сердечники для катушек индуктивности и трансформаторов для силовых приложений поэтому есть воздушный зазор. Воздушный зазор снижает эффективную проницаемость и, следовательно, магнитный поток.Чем больше воздушный зазор, тем сильнее уменьшение магнитного потока и увеличение максимального тока индуктора. ручка. Мы говорим, что магнитная энергия хранится в воздушном зазоре. На фотографии показаны несколько катушек индуктивности для DC / DC преобразователей, утилизированных из старых Платы от ПК, ноутбуков и т. Д. Если вы подумываете поиграть с преобразователями DC / DC лучше всего купить хотя бы одну приличную катушку индуктивности с известной индуктивностью, последовательное сопротивление и максимальный ток. Индуктор перед На фото я использую эталонный индуктор на 100 мкГн.

Повышающий преобразователь

Повышающий преобразователь, пожалуй, самый простой из всех преобразователей с переключаемым режимом. Он использует один индуктор без необходимости использования «сложных» трансформаторов. Работу лучше всего можно объяснить с помощью упрощенной принципиальной схемы. приведен на рис. 2. Здесь транзистор представлен идеальным ключом. и схема управления опущена. Рассеяние NIXIE Лампы представлены нагрузочным резистором Rload. Конденсатор высокого напряжения C используется для буферизации выходного напряжения.В типовой конфигурации входное напряжение будет примерно таким: Vbat = 12 В, а выходное напряжение Vout = 180В.

Рисунок 2 Упрощенная принципиальная схема повышающего преобразователя.

При t = 0 переключатель замыкается (рис. 2А). В результате ток через индуктор начнет линейно увеличиваться в соответствии с Я = (Вбат / л) * т. В определенный момент переключатель размыкается цепь управления (рис. 2Б). Сила тока в этом месяце достигла определенное значение Ipeak. У нас есть в предыдущем разделе было замечено, что индуктор хочет сохранить ток, протекающий по его обмоткам, постоянный, чего бы это ни стоило.Переключатель разомкнут, поэтому только индуктор может этого добиться. состоит в прямом смещении диода D так, чтобы ток (и, следовательно, энергия) можно сбросить в буферный конденсатор C. Теперь помните, что конденсатор был заряжен до 180В! Итак, чтобы направить смещение диода, индуктор должен генерировать э.д.с. (или индукционное напряжение) чего-либо вроде 180-12 = 168В., что-то вроде “управляемой искры. Ток сейчас быстро падает согласно I = Ipeak- (Vout / L) * t. Для Vbat = 12 В и Vout = 180 В это означает, что это займет всего пятнадцатую (180/12) времени, которое потребовалось чтобы достичь Ipeak, когда переключатель был замкнут, чтобы снова упасть с Ipeak на 0 теперь переключатель открыт.Через определенное время весь процесс повторяется со скоростью f раз в секунду.

Все идет нормально. Однако у повышающего преобразователя есть серьезный недостаток. Чтобы понять это, мы сначала должны рассмотреть переключатель, который мы использовали. с использованием. В реальной схеме, скорее всего, будет использован силовой МОП-транзистор. как переключающий элемент. В повышающем преобразователе этот транзистор будет должны работать как с большим током, когда переключатель замкнут, так и с высокой блокировкой напряжение при разомкнутом переключателе! Для транзистора это сложная комбинация.Чтобы транзистор выдерживал высокие запирающие напряжения, производитель транзистора должен включить области в транзистор который будет согласовывать эти напряжения так, чтобы внутренний транзистор не будет пробоя. Однако, когда переключатель закрыт (проводящий транзистор), эти области приведут к дополнительным паразитным последовательным сопротивлениям и таким образом в увеличенном Роне. По этой причине транзисторы с высоким напряжение пробоя всегда имеет более высокое Ron, чем транзисторы с более низким пробоем Напряжение.Поскольку токи могут быть довольно высокими, это неизбежно означает потери в виде диссипации в транзисторе. Как мы увидим в одном из в следующих разделах эта проблема решается в обратном преобразователе за счет использования трансформатор.

Уравновешивая количество энергии, хранящейся в катушке индуктивности, с количеством мощности рассеивается в нагрузке, можно рассчитать выходное напряжение повышающий преобразователь.
Каждую секунду мощность, рассеиваемая нагрузкой, составляет:

Если T – общее время цикла, а x – доля T, на которую переключатель замкнут, тогда максимальный ток в катушке индуктивности равен:
Энергия, доставляемая индуктором на упаковку, составляет:
За одну секунду доставляются пакеты f = 1 / T, поэтому количество доставленной энергии в секунду это:
Поскольку в установившемся режиме количество доставляемой энергии должно равняться количеству использованной энергии [1] = [2]:

Простой повышающий преобразователь высокого напряжения для NIXIE

Если вы хотите создать простой преобразователь постоянного тока в постоянный, чтобы облегчить ваши NIXIE, а вы не заботиться об эффективности преобразования, даже если это означает (небольшой) радиатор для силового транзистора тогда повышающий преобразователь – лучший выбор.Но даже если вы подумываете о создании настоящего обратного преобразователя, неплохо было бы начнем с простого повышающего преобразователя. Повышающий преобразователь требует только «из полки» индуктор, и когда он у вас работает, он легко превращается в обратный преобразователь несколькими небольшими модификациями.

Рисунок 3 Простой повышающий преобразователь 12–180 В, использующий 555 в качестве контроллера.

Схема очень проста и полностью соответствует топологии схемы на рис. 2. Для Транзистор Я использовал BUZ41A.Этот транзистор рассчитан на максимальное напряжение Vds = 500 В и на сопротивлении 1,5 Ом при 4,5 А. Аналогичные или лучшие модели, такие как IRF730, также будут выступить хорошо. Диод должен быть быстродействующим, как BYW95C или лучше. Старый (компьютерный) блок питания даст вам большинство этих компонентов. Индуктор Я выбрал из каталога и составляет 100 мкГн с последовательным сопротивлением в несколько десятых Ом. способен выдерживать ток в несколько ампер.

Самым интересным аспектом схемы является то, как обычный 555 используется для регулирования выходное напряжение.Сейчас на рынке представлены сотни ИС контроллеров с переключаемым режимом. которые подходят для этой работы лучше, чем 555. Проблема со всеми этими микросхемами что если вы построите хорошие часы NIXIE, используя их, и в какой-то момент в будущем микросхема выходит из строя, более чем вероятно, что она уже устарела и вышла из строя. производство. 555 (очень) дешевый, работает достаточно хорошо и, скорее всего, останется в производстве навсегда.

Чтобы понять, как работает контроллер, лучше сначала понять, как работает 555.В Интернете вы можете найти ряд отличных 555 руководств [1,2]. Без R3 и T1 555 сконфигурирован как обычный нестабильный мультивибратор, работающий с частотой:

Без обратной связи выходное напряжение на этой частоте будет хорошо свыше 200 В. Однако делитель напряжения, образованный R4, R5 и R6 спроектирован и настроен таким образом, чтобы при выходном напряжении достигает 180 В, Т1 просто начинает проводить. Это при напряжении база-эмиттер ок. 0,8 В. Теперь помните, что 555 работает путем зарядки и разрядки. конденсатор между 1 / 3Vcc и 2 / 3Vcc, как определено внутренним резисторная лестничная сеть.Когда T1 начнет проводить, он потянет вниз. внутреннее напряжение питания этой сети, что приводит к меньшему колебание напряжения и, следовательно, более высокая частота. Из последнего уравнения в предыдущем разделе мы узнали, что более высокая частота (меньшая T) приведет к более низкому выходному напряжению. Таким образом, выходное напряжение будет рассчитываться по стоимости, определенной R5. Для T1 я использовал высокое напряжение тип. На самом деле нет необходимости в этом и в малом сигнальном npn-транзисторе. с приличным приростом будет работать. Недостатком такого простого контроллера является то, что схема вообще не имеет защиты от коротких замыканий или перегрузок.Поэтому случайное короткое замыкание выхода всегда приводит к дефект силового транзистора (что я испытал довольно много раз).

Рис. 4 Тестирование повышающего преобразователя с использованием фиктивной нагрузки (и одного NIXIE).

Если вы находитесь на этапе тестирования и не хотите подключать питания к NIXIE пока нет, лучше всего подключить фиктивную нагрузку к выходу, так как схема не предназначена для работы без нагрузка. Я всегда сначала узнаю, какой ток я хочу работать с моими NIXIE.Я обычно выбираю значение значительно ниже рабочего состояние указано в даташите. Это значительно расширит срок службы трубок. Используя источник высокого напряжения, я выбираю источник питания напряжение и нагрузочный резистор таким образом, чтобы при минимальном токе яркость трубки все еще достаточно хорошая. Как только общий ток и напряжение известно, эквивалентный резистор нагрузки может быть рассчитан из Rload = Vout / Itotal. Во время фазы тестирования этот резистор подключенный к выходу заменяет лампы NIXIE.

Несколько слов о безопасности. Хотя 180 Вольт генерируются при запуске с невинным 12 Вольт случайный контакт с заряженным буфером конденсатор будет болезненным, возможно, смертельным опытом. Всегда быть очень осторожно ! Я всегда ставлю на выходе небольшую неоновую индикаторную лампу преобразователя (даже в последних часах), чтобы четко указать, что на выходе присутствует опасное напряжение. Дополнительно во время тестирование У меня постоянно есть мультиметр 20 кОм / В, подключенный к выходу так что я всегда знаю выходное напряжение.Напоследок совет моего отца кто был из области радиолампы: всегда держи одну руку в кармане при прикосновении к цепи, когда она включена. Таким образом, текущий никогда не сможет пройти мимо твоего сердца.

Стенд для испытания индуктора

Если вы хотите начать экспериментировать с повышающими или обратными преобразователями, это хорошая идея купить хотя бы один индуктор с известными параметрами, который может действовать в качестве эталона для катушек индуктивности или трансформаторов, которые вы делаете сам.Я использую индуктор 100 мкГн с последовательным сопротивлением около 0,2 Ом. способен выдерживать ток в несколько ампер. Он специально разработан для SMP Приложения. Схема, изображенная на рис. 5, позволяет сравнивать «неизвестное» индуктор (или трансформатор) с эталонным индуктором.

Рисунок 5 Принципиальная схема испытательного стенда индуктора.

Схема предназначена для максимально точной проверки индуктора. при условиях, которые возникают в повышающем преобразователе, представленном в последнем раздел или в обратном преобразователе, который будет представлен в одном из следующих разделы.По сути, схема немного больше, чем катушка индуктивности. подключен к источнику питания 12В транзистором Т1. Ток через индуктивность измеряется резистором R4 малой серии. Падение напряжения 100 мВ по R4 соответствует току примерно 1 А. Когда транзистор открыт, индуктор может сбросить свою энергию в диод D3. Поскольку падение напряжения над диодом составляет всего 0,6 В, это займет примерно 12 / 0,6 = 20 раз больше времени для ток упадет до нуля (помните, что I = (V.t) / L).Это причина, по которой затвор транзистора управляется сильно асимметричным сигналом, генерируемым осциллятором около N1-N6. Время включения транзистора определяется C1 и R1 + R2. R2 настроен так, чтобы время включения транзистора было равно Время включения транзистора в преобразователе при нормальной нагрузке. Транзистор Время простоя определяется C1 и R3 и примерно в 20 раз больше, чем вовремя.

Рисунок 6 Схема испытательного стенда индуктора (слева) и измерение вне эталона. индуктор (справа).

На рис. 6 (справа) вы найдете размер эталонной катушки индуктивности. Мы находим, что при напряжении питания 12 В ток через дроссель достигает значения из I = V / R = 0,361 / 0,11 = 3,28 A в 27,1 & микро. Поскольку I = (V / L) t, для индуктивности находим L = (V / I) t = (12 / 3,28) 27,1 = 97,6 мкГн. Неплохо! При чуть более высоком токе мы наблюдают резкое увеличение тока через индуктор. В этом суть где феррит насыщается. Дроссель не следует использовать сверх этого момента.

Теперь вы можете попробовать разные катушки индуктивности, например. индукторы утилизированы из старых (компьютерные) блоки питания. Переключатель S1 позволяет легко сравнивать эти индукторы с эталонной катушкой индуктивности. Еще один важный параметр, за которым нужно следить – текущий расход стенда. Увеличение коммутационных потерь в катушке индуктивности core отражается увеличением потребляемой мощности.

Альтернативный простой и быстрый способ измерения индуктивности
неизвестной катушки индуктивности можно найти здесь.

Что нужно знать о трансформаторах

В этом разделе рассказывается о нескольких основных вещах, которые вам нужно знать о трансформаторах. чтобы понять обратные преобразователи. На рис.7 я попытался изобразить элементарный индуктор и его схематический эквивалент. Обратите внимание, что обе обмотки имеют определенное направление, и одинаковые направления обозначены точкой.

Рисунок 7 Базовый трансформатор с разомкнутыми вторичными обмотками

В этом примере мы предполагаем, что первичная обмотка трансформатора имеет определенный номер витков с индуктивностью L1.2 * L1 = 100 * L1. Сначала рассмотрим случай, когда вторичные обмотки не подключены. Когда напряжение источник подключен к первичной обмотке ток через первичную обмотку будет начинают линейно увеличиваться со скоростью I = (V / L1) * t. Поскольку при открытых клеммах на вторичной сторона не может течь вторичный ток, трансформатор будет вести себя как нормальная катушка индуктивности с индуктивностью L1. Увеличивающийся первичный ток будет генерировать магнитный поток не только через первичные обмотки, но такой же поток будет течь и через вторичные обмотки. обмотки.Из соображений симметрии легко увидеть, что если вторичная обмотка будет быть идентичным первичной катушке, напряжение на первичной и вторичной стороне будет равный. В этом случае у нас в 10 раз больше витков на вторичной стороне. Это может быть рассматривается как последовательное соединение 10 катушек, каждая с напряжением 10 В, так что всего 100 В. индуцируется на первичной стороне. Напряжение 100В на выходе сохраняется до тех пор, пока ток продолжает линейно увеличиваться. На практике это означает, что до ток достигает своего соответствия или пока сердечник не насыщается.

Рисунок 8 Базовый трансформатор с замкнутыми вторичными обмотками

Затем вторичная обмотка подключается к некоторой нагрузке, которая пропускает ток. течь (рис. 8). Если теперь первичная обмотка подключена к какому-либо источнику напряжения, ток через первичную обмотку начнет течь, что приведет к магнитному поток в направлении, указанном стрелкой. Этот магнитный поток будет очевидно, также протекает через вторичную обмотку. Мы видели, что индуктор сопротивляется изменению магнитного потока.Чтобы противодействовать увеличивающемуся потоку, ток, протекающий в противоположном направлении через вторичную обмотку начнет течь, как показано на рис. 8 Это приводит к падению напряжения на нагрузке, как показано.

Рисунок 9 Трансформатор в обратном направлении

Наконец, источник напряжения на первичной стороне внезапно отключается (рис. 9). Единственный способ вторичная обмотка может предотвратить внезапный коллапс потока, чтобы изменить направление тока, протекающего по вторичной обмотке. В результате также падение напряжения на нагрузке будет обратным.Обратите внимание, что напряжение на нагрузке увеличится до любого значения, необходимого для поддержания постоянного потока. Магнитная энергия, запасенная в индукторе, сбрасывается в нагрузку, а вторичный ток уменьшается со скоростью Vout / L2

Обратноходовой преобразователь

На рисунке 10 показаны основные элементы обратноходового преобразователя. Опять все схема управления опущена, а переключающий MOSFET представлен идеальным переключателем.

Рис. 10 Фаза 1, запасание энергии в трансформаторе.

На данный момент мы предполагаем, что при t = 0 буферный конденсатор заряжен до номинальное выходное напряжение Vout и ток через первичные обмотки трансформатора равен нулю. При t = 0 переключатель замыкается, и подаётся ток. протекать через первичную обмотку. Это вызовет напряжение во вторичной обмотке. обмотку с указанной полярностью (см. предыдущий раздел). Поскольку диод имеет обратное смещение, вторичный ток не течет, поэтому в основном вторичный обмотка «не подключена».Другими словами, на первичной стороне трансформатора. мы «просто видим катушку индуктивности». В результате первичный ток начнет увеличиваться. линейный согласно I = (12 / L1) * t. Когда переключатель замкнут, на вторичной обмотке возникает напряжение. обмотки будут n * 12В. Это означает, что диод минимально должен блокировать обратное напряжение n * 12 + Vout

Рис. 11. Вторая фаза, передача энергии трансформатора в буферный конденсатор.

В определенный момент выключатель разомкнется (рис.11). Назовем ток, который был протекает через первичную обмотку в момент непосредственно перед размыканием переключателя Ipeak. Энергия, запасенная в момент открытия, составляет 0,5 * L1 * (Ipeak * Ipeak). Трансформатор хочет поддерживать магнитный поток. Поскольку схема на первичная сторона открыта, индуктор может сделать это только путем создания напряжения. на вторичной стороне достаточно высокий (> Vout) для прямого смещения диода. Начальное значение тока будет I2 = Ipeak / n. За время, пока диод горит вперед при смещении напряжение на вторичной обмотке будет равно Vout + 0.8В. 0,8 В – это падение напряжения на диоде и может при высоком выходном напряжении, как в преобразователе NIXIE, быть пренебрегали. Трансформатор преобразует это напряжение до Vout / n. Итак, общая напряжение, которое переключатель должен блокировать в разомкнутом положении, составляет 12+ (Vout / n).

На самом деле это большое преимущество обратного преобразователя перед повышающим преобразователем. В повышающем преобразователе переключатель (MOSFET) должен пропускать большой ток во время фаза включения и высокое напряжение во время фазы отключения. В обратном преобразователе напряжение в выключенной фазе преобразуется до определенного значения. по соотношению по очереди.Это означает, что можно использовать полевой МОП-транзистор с гораздо меньшим значением Ron. (см. раздел о повышающем преобразователе). Точно так же в повышающем преобразователе диод должен пропускать как высокий ток, так и высокое обратное напряжение. В обратном преобразователе диод на вторичной стороне только блокирует высокое напряжение при низком токе (Ipeak / n). Это делает это можно выбрать диод с меньшей емкостью и, следовательно, с большей коммутацией скорость. Все это приводит к снижению потерь и повышению эффективности.

Рис. 12 Фаза 3, сброс энергии завершился разрядом конденсатора сток-исток.

Это продолжается до тех пор, пока вся энергия, накопленная в трансформаторе, не будет сброшена в буферный конденсатор. В этот момент I2 становится равным нулю (рис. 12). В этот момент наведенная на первичной обмотке ЭДС сторона (Vout / n) исчезнет. Однако паразитная емкость переключателя (исток-сток емкость полевого МОП-транзистора) будет заряжена до (Vout / n) +12 В. На первичной стороне теперь последовательно резонансный бак образован заряженным конденсатором (рис.12 справа). Это вызовет увлажнение колебание.

Рисунок 13 Напряжение на переключателе во всех трех фазах

На рисунке 13 схематично показано напряжение сток-исток (напряжение на переключателе) во время все фазы преобразователя только что описаны. Во время фазы переключатель замкнут. Мы видим падение напряжения на переключателе, вызванное ненулевым сопротивлением. На этом этапе текущий будет увеличиваться линейно, так что падение напряжения по Рону будет линейно увеличиваться.В точке б переключатель открывается. Вторичный ток начнет течь, а выходное напряжение снизится. трансформируется по первичной обмотке. Общее напряжение блокировки на переключателе будет быть 12+ (Vout / n) (рис. 13c). В точке d вся энергия сбрасывается в конденсатор и вторичную обмотку. ток падает до нуля, вызывая наведенную э.д.с. на первичной стороне исчезнуть. Заряженный конденсатор сток-исток, теперь внезапно включенный последовательно с индуктивностью первичной обмотки приведет к затухающим колебаниям (рис.12e). В точке f переключатель снова замыкается, и все оставшиеся энергия в резервуаре LC будет рассеиваться в транзисторе.

Рисунок 14 Паразитная индуктивность.

Остается объяснить лишь одно небольшое явление. Никакой трансформатор не идеален. Там будет всегда должны быть силовые линии магнитного поля, создаваемые первичными обмотками, которые не (полностью) заключен во вторичные обмотки. Это вызовет паразитную индуктивность, которую можно смоделировать. как небольшая катушка индуктивности, включенная последовательно с первичной обмоткой трансформатора (рис.14). Мы видели что вся энергия, которая хранится в трансформаторе, сбрасывается в буферный конденсатор. Это делает не выполняется для (небольшого) количества энергии, хранящейся в паразитной индуктивности. Итак, внезапное открытие выключателя вызовет резкий пик напряжения, как и любой индуктор, который внезапно отключен от постоянного тока. Небольшая паразитная индуктивность, включенная последовательно с емкостью исток-сток. вызовет затухающие высокочастотные колебания (рис. 15).

Рис. 15 Высокочастотные колебания из-за энергии, накопленной в паразитной индуктивности.

При необходимости переключающий транзистор можно защитить от пика высокого напряжения с помощью RC-демпферная сеть или стабилитрон, ограничивающий максимальное напряжение сток-исток.

Наконец, вы можете сами проверить уравнение, полученное для выходного напряжения повышающий преобразователь также подходит для обратного преобразователя. Это не совсем удивительно, как и в повышающем преобразователе, обратный преобразователь основан на сброс энергии из индуктора или первичной обмотки трансформатора в нагрузке.Трансформатор просто служит для понижения напряжения на переключателе.

Источник высокого напряжения обратноходового преобразователя для NIXIE.

После всего того, что было сказано до сих пор, принципиальная схема обратного преобразователя не преподнесет никаких сюрпризов (рис.16). Буквально единственная разница с бустом преобразователь заключается в том, что индуктор заменен трансформатором, и что Транзистор заменен на БУЗ21. BUZ21 имеет гораздо меньшее значение сопротивление (Ron = 0,085 Ом) по сравнению с BUZ41A (Ron = 1.5 Ом), но также меньшее напряжение пробоя сток-исток (100 В против 500 В).

Рисунок 16 Принципиальная схема обратноходового преобразователя.

Сложная часть схемы – трансформатор. Ну это не точно сложно, но проблема в том, что нужно делать самому. Что еще хуже, так это то, что поиск подходящего ферритового сердечника может времена быть трудными, поскольку поставщики компонентов часто имеют только несколько типов на складе. Размер ферритового сердечника Е-образной формы, который я использую, составляет 20x20x5 мм (рис.16) Я получил их от Пола ван де Брука, который всегда помогает мне, когда мне нужно что-то особенное.

Рисунок 17 Ферритовый сердечник, который я использую (20x20x5 мм).

Итак, какова стратегия определения необходимого количества оборотов на ферритовый сердечник что у вас есть? Ну, во-первых, я всегда начинаю с катушки индуктивности. испытательный стенд, чтобы я мог сравнить то, что я сделал, с эталоном 100 & microH индуктор. Если это ваш первый обратный преобразователь, в качестве примера можно привести сначала попробуйте ферритовый сердечник без воздушного зазора.Имейте в виду, все всегда говорят о воздушном зазоре, но на самом деле они означают прокладку, часто сделанную из пластика (клейкой ленты). Итак, начните с 10 или 20 витков без воздушного зазора. Что вы, вероятно, увидите в испытательном стенде слишком высокая индуктивность (более медленное увеличение тока по мере того, как по сравнению с индуктором 100 мкГн). В то же время вы найдете насыщение феррита при малом токе. Пришло время включить распорка. Прикрепите кусок виолончельной ленты и обрежьте лишнее количество ленты с помощью лезвие бритвы так, чтобы только соприкасающиеся поверхности феррита были покрыты лентой.Если вы попробуете использовать катушку индуктивности сейчас, вы обнаружите гораздо меньшую индуктивность и более высокую ток насыщения. Возможно, вам нужно будет добавить или убрать несколько поворотов в получите индуктивность 100 мкГн (такой же наклон). Для первичной обмотки я использую Изолированный медный провод диаметром 0,4 (или 0,5) мм. Когда вы определили необходимое количество витков первичной обмотки, вторичная обмотка в десять раз больше количество ходов. Для вторичных обмоток я использую что-то вроде диаметром 0,1-0,15 мм. провод. Я всегда кладу слой ленты между двумя слоями вторичных обмоток. для предотвращения искрения.Трансформаторы, которые я использую, имеют 22 первичных витка и 220 вторичных. повороты.

Рисунок 18 Два примера обратного преобразователя, построенного на куске макета.

На рисунке 19 показано напряжение сток-исток силового полевого МОП-транзистора, измеренное с соотношением 1:10. зонд редукции. Цифрой 1 на левой оси отмечен входной уровень 0 В. Изображение не очень резкое из-за некоторого джиттера запуска, вызванного пульсацией 50 Гц в источнике питания. Тем не менее, можно распознать несколько особенностей, изображенных на рис. 15. Частота повторения 32 кГц. а максимальное напряжение блокировки транзистора согласно теории составляет около 31 В.Напряжение на транзисторе почти колеблется в течение двух полных периодов, пока транзистор не снова включается. Здесь присутствуют высокочастотные колебания из-за паразитной индуктивности, но на фотографии сложно разглядеть. Увеличивающееся падение напряжения на Роне во время фаза включения хорошо видна.

Рисунок 19 Напряжение сток-исток силового полевого МОП-транзистора, измеренное с соотношением 1:10. зонд редукции.

Полный преобразователь может быть легко построен на площади менее 4х4 см. Чтобы увеличить срок службы моих ламп Я обычно использую их как можно меньше тока.Обычно 1-1,5 мА. Это означает, что преобразователь должен генерировать для 6 цифр от 6 до 7 ватт. Эффективность составляет ок. 80%. Это не впечатляет, но достаточно для такого простого схема. Если вы решили построить один: развлекайтесь, будьте осторожны и удачи!

Интернет-ссылки

[1] http://www.williamson-labs.com/555-tutorial.htm
[2] http://www.uoguelph.ca/~antoon/gadgets/555/555.html

вернуться на главную страницу

The Illustrated Transformer – Джей Аламмар – Визуализация машинного обучения по одной концепции за раз.

Обсуждения: Hacker News (65 баллов, 4 комментария), Reddit r / MachineLearning (29 баллов, 3 комментария)
Переводы: Испанский, Китайский (упрощенный), Корейский, Русский, Вьетнамский, Французский, Японский
Смотреть: лекция MIT по теме «Глубокое обучение» со ссылкой на эту публикацию

В предыдущем посте мы рассмотрели «Внимание» – повсеместный метод в современных моделях глубокого обучения. Внимание – это концепция, которая помогла повысить производительность приложений нейронного машинного перевода.В этом посте мы рассмотрим модель The Transformer – модель, которая привлекает внимание для повышения скорости обучения этих моделей. Трансформеры превосходят модель нейронного машинного перевода Google в определенных задачах. Однако наибольшее преимущество заключается в том, что The Transformer позволяет распараллеливать. Фактически, Google Cloud рекомендует использовать The Transformer в качестве эталонной модели для использования своего предложения Cloud TPU. Итак, давайте попробуем разбить модель на части и посмотрим, как она работает.

Трансформатор был предложен в статье “Внимание – это все, что вам нужно”. Его реализация в TensorFlow доступна как часть пакета Tensor2Tensor. Группа НЛП из Гарварда создала руководство с аннотациями к статье с использованием PyTorch. В этом посте мы попытаемся немного упростить вещи и представить концепции одну за другой, чтобы, надеюсь, облегчить понимание людям без глубоких знаний предмета.

2020 Обновление : Я создал видео «Рассказанный трансформер», в котором более мягкий подход к теме:

Взгляд высокого уровня

Давайте начнем с рассмотрения модели как единого черного ящика.В приложении машинного перевода оно берет предложение на одном языке и выводит его перевод на другом.

Раскрывая эту доброту Оптимуса Прайма, мы видим компонент кодирования, компонент декодирования и связи между ними.

Компонент кодирования представляет собой стек кодировщиков (на бумаге шесть из них складываются друг на друга – в цифре шесть нет ничего волшебного, можно определенно поэкспериментировать с другим расположением). Компонент декодирования представляет собой стек декодеров с одинаковым числом.

Все кодировщики идентичны по структуре (но у них нет общих весов). Каждый из них разбит на два подслоя:

Входные данные кодировщика сначала проходят через слой самовнимания – слой, который помогает кодировщику смотреть на другие слова во входном предложении, когда он кодирует определенное слово. Мы подробнее рассмотрим самовнимание позже в этом посте.

Выходные данные слоя самовнимания передаются в нейронную сеть с прямой связью. Точно такая же сеть прямой связи независимо применяется к каждой позиции.

У декодера есть оба этих уровня, но между ними есть уровень внимания, который помогает декодеру сосредоточиться на соответствующих частях входного предложения (аналогично тому, что делает внимание в моделях seq2seq).

Тензоры в картине

Теперь, когда мы рассмотрели основные компоненты модели, давайте приступим к рассмотрению различных векторов / тензоров и того, как они перемещаются между этими компонентами, чтобы превратить входные данные обученной модели в выходные данные.

Как и в случае с приложениями НЛП в целом, мы начинаем с превращения каждого входного слова в вектор с помощью алгоритма встраивания.

Каждое слово вложено в вектор размером 512. Мы представим эти векторы этими простыми прямоугольниками.

Встраивание происходит только в самый нижний кодировщик. Абстракция, которая является общей для всех кодировщиков, заключается в том, что они получают список векторов, каждый из которых имеет размер 512. В нижнем кодировщике это будет слово embeddings, но в других кодировщиках это будет выход кодировщика, который находится непосредственно под . Размер этого списка является гиперпараметром, который мы можем установить – в основном это будет длина самого длинного предложения в нашем наборе обучающих данных.

После встраивания слов в нашу входную последовательность каждое из них проходит через каждый из двух уровней кодировщика.

Здесь мы начинаем видеть одно ключевое свойство преобразователя, а именно то, что слово в каждой позиции проходит свой собственный путь в кодировщике. Между этими путями на уровне самовнимания есть зависимости. Однако уровень прямой связи не имеет этих зависимостей, и, таким образом, различные пути могут выполняться параллельно при прохождении через слой прямой связи.

Затем мы заменим пример более коротким предложением и посмотрим, что происходит на каждом подуровне кодировщика.

Теперь мы кодируем!

Как мы уже упоминали, кодировщик получает на вход список векторов. Он обрабатывает этот список, передавая эти векторы в слой «самовнимания», затем в нейронную сеть с прямой связью, а затем отправляет выходные данные вверх следующему кодировщику.

Слово в каждой позиции проходит через процесс самовнимания.Затем каждый из них проходит через нейронную сеть с прямой связью – точно такую же сеть с каждым вектором, проходящим через нее отдельно.

Самовнимание на высоком уровне

Не дайте себя обмануть, если я использую слово «самовнимание», как будто это понятие должно быть знакомо каждому. Я лично никогда не сталкивался с этой концепцией до тех пор, пока не прочитал статью «Все, что вам нужно». Давайте разберемся, как это работает.

Скажем, следующее предложение является вводным предложением, которое мы хотим перевести:

” Животное не переходило улицу, потому что оно слишком устало ”

Что означает «оно» в этом предложении? Имеется в виду улица или животное? Это простой вопрос для человека, но не такой простой для алгоритма.

Когда модель обрабатывает слово «оно», самовнимание позволяет ей ассоциировать «это» с «животным».

По мере того, как модель обрабатывает каждое слово (каждую позицию во входной последовательности), самовнимание позволяет ей смотреть на другие позиции во входной последовательности в поисках подсказок, которые могут помочь улучшить кодирование этого слова.

Если вы знакомы с RNN, подумайте, как поддержание скрытого состояния позволяет RNN включать свое представление предыдущих слов / векторов, которые она обработала, с текущим, который она обрабатывает.Самовнимание – это метод, который Трансформер использует для «запекания» других релевантных слов в словах, которые мы обрабатываем в данный момент.

Поскольку мы кодируем слово «оно» в кодировщике №5 (верхний кодировщик в стеке), часть механизма внимания фокусировалась на «Животном» и запекла часть его представления в кодировке «оно».

Обязательно ознакомьтесь с записной книжкой Tensor2Tensor, где вы можете загрузить модель Transformer и изучить ее с помощью этой интерактивной визуализации.

Самостоятельное внимание в деталях

Давайте сначала посмотрим, как вычислить самовнимание с помощью векторов, а затем перейдем к рассмотрению того, как это на самом деле реализовано – с помощью матриц.

Первый шаг при вычислении самовнимания состоит в том, чтобы создать три вектора из каждого из входных векторов кодировщика (в данном случае – вложение каждого слова). Итак, для каждого слова мы создаем вектор запроса, вектор ключа и вектор значения. Эти векторы создаются путем умножения вложения на три матрицы, которые мы обучили в процессе обучения.

Обратите внимание, что эти новые векторы меньше по размерности, чем вектор внедрения. Их размерность составляет 64, в то время как векторы ввода / вывода встраивания и кодировщика имеют размерность 512. Они НЕ ДОЛЖНЫ быть меньше, это выбор архитектуры, позволяющий сделать вычисление многогранного внимания (в основном) постоянным.

Умножение x1 на весовую матрицу WQ дает q1, вектор “запроса”, связанный с этим словом. В итоге мы создаем проекцию «запроса», «ключа» и «значения» для каждого слова во входном предложении.

Что такое векторы «запроса», «ключа» и «значения»?

Это абстракции, которые полезны для вычисления внимания и размышлений о нем. После того, как вы прочитаете, как рассчитывается внимание ниже, вы будете знать почти все, что вам нужно знать о роли каждого из этих векторов.

Второй этап вычисления самовнимания – это подсчет баллов. Предположим, мы вычисляем внимание к себе для первого слова в этом примере – «Мышление».Нам нужно сопоставить каждое слово входного предложения с этим словом. Оценка определяет, сколько внимания следует уделять другим частям входного предложения, когда мы кодируем слово в определенной позиции.

Оценка рассчитывается как скалярное произведение вектора запроса на ключевой вектор соответствующего слова, которое мы оцениваем. Итак, если мы обрабатываем самовнимание для слова в позиции №1, первая оценка будет скалярным произведением q1 и k1. Вторая оценка будет скалярным произведением q1 и k2.

Третий и четвертый этапы заключаются в разделении оценок на 8 (квадратный корень из размерности ключевых векторов, используемых в статье – 64. Это приводит к получению более стабильных градиентов. Здесь могут быть другие возможные значения, но это значение по умолчанию), затем передайте результат через операцию softmax. Softmax нормализует оценки, чтобы все они были положительными и в сумме составляли 1.

Эта оценка softmax определяет, насколько каждое слово будет выражено в этой позиции.Очевидно, что слово в этой позиции будет иметь наивысший балл softmax, но иногда полезно обратить внимание на другое слово, имеющее отношение к текущему слову.

Пятый этап заключается в умножении каждого вектора значений на показатель softmax (при подготовке к их суммированию). Интуиция здесь заключается в том, чтобы сохранить неизменными значения слов, на которых мы хотим сосредоточиться, и заглушить не относящиеся к делу слова (например, умножив их на крошечные числа, такие как 0,001).

Шестой этап предназначен для суммирования векторов взвешенных значений.Это дает результат слоя самовнимания в этой позиции (для первого слова).

На этом расчет самовнимания завершен. Результирующий вектор – это тот, который мы можем отправить в нейронную сеть с прямой связью. Однако в реальной реализации этот расчет выполняется в матричной форме для более быстрой обработки. Итак, давайте посмотрим на это теперь, когда мы увидели интуицию вычисления на уровне слов.

Матрица расчета самовнимания

Первым шагом является вычисление матриц запроса, ключа и значения.Мы делаем это, упаковывая наши вложения в матрицу X и умножая ее на матрицы весов, которые мы обучили (WQ, WK, WV).

Каждая строка в матрице X соответствует слову во входном предложении. Мы снова видим разницу в размере вектора встраивания (512 или 4 прямоугольника на рисунке) и векторов q / k / v (64 или 3 прямоугольника на рисунке).

Наконец, , поскольку мы имеем дело с матрицами, мы можем объединить шаги со второго по шестой в одну формулу, чтобы вычислить результаты слоя самовнимания.

Расчет самовнимания в матричной форме

Многоголовый зверь

В статье дополнительно усовершенствован слой самовнимания, добавлен механизм, называемый «многоголовым» вниманием. Это улучшает производительность слоя внимания двумя способами:

Расширяет способность модели фокусироваться на разных позициях. Да, в приведенном выше примере z1 содержит немного любой другой кодировки, но в ней может преобладать само слово.Было бы полезно, если бы мы переводили предложение вроде «Животное не перешло улицу, потому что оно слишком устало», мы хотели бы знать, к какому слову «оно» относится.
Он дает слою внимания несколько «подпространств представления». Как мы увидим далее, с многоголовым вниманием у нас есть не только один, но и несколько наборов весовых матриц запроса / ключа / значения (преобразователь использует восемь головок внимания, поэтому мы получаем восемь наборов для каждого кодировщика / декодера). . Каждый из этих наборов инициализируется случайным образом.Затем, после обучения, каждый набор используется для проецирования входных вложений (или векторов из нижних кодировщиков / декодеров) в другое подпространство представления.

С многоголовым вниманием мы поддерживаем отдельные весовые матрицы Q / K / V для каждой головы, в результате чего получаются разные матрицы Q / K / V. Как и раньше, мы умножаем X на матрицы WQ / WK / WV, чтобы получить матрицы Q / K / V.

Если мы проделаем тот же расчет самовнимания, который мы описали выше, всего восемь раз с разными весовыми матрицами, мы получим восемь разных Z-матриц

Это оставляет нам небольшую проблему.Слой прямой связи не ожидает восьми матриц – он ожидает единственную матрицу (вектор для каждого слова). Итак, нам нужен способ сжать эти восемь в единую матрицу.

Как мы это делаем? Мы объединяем матрицы, а затем умножаем их на дополнительную матрицу весов WO.

Вот и все, что нужно для многоглавого самовнимания. Я понимаю, что это довольно много матриц. Позвольте мне попытаться объединить их все в один визуальный ряд, чтобы мы могли рассматривать их в одном месте

Теперь, когда мы коснулись головок внимания, давайте вернемся к нашему предыдущему примеру, чтобы увидеть, где фокусируются различные головы внимания, когда мы кодируем слово «оно» в нашем примере предложения:

Когда мы кодируем слово «оно», одна голова внимания больше всего сосредотачивается на «животном», а другая – на «усталом» – в некотором смысле, представление модели слова «оно» вписывается в некоторые из представлений. как “животное”, так и “уставшее”.

Однако, если мы добавим все внимание к изображению, интерпретировать вещи будет сложнее:

Представление порядка последовательности с использованием позиционного кодирования

В модели, которую мы описали до сих пор, отсутствует одна вещь, так это способ учесть порядок слов во входной последовательности.

Чтобы решить эту проблему, преобразователь добавляет вектор к каждому встраиванию входа. Эти векторы следуют определенному шаблону, который модель изучает, что помогает ей определять положение каждого слова или расстояние между разными словами в последовательности.Интуиция здесь заключается в том, что добавление этих значений к вложениям обеспечивает значимые расстояния между векторами встраивания, когда они проецируются в векторы Q / K / V и во время внимания скалярного произведения.

Чтобы дать модели ощущение порядка слов, мы добавляем векторы позиционного кодирования, значения которых следуют определенному шаблону.

Если мы предположим, что вложение имеет размерность 4, фактическое позиционное кодирование будет выглядеть так:

Реальный пример позиционного кодирования с размером вложения игрушки 4

Как мог бы выглядеть этот узор?

На следующем рисунке каждая строка соответствует позиционному кодированию вектора.Таким образом, первая строка будет вектором, который мы добавим к встраиванию первого слова во входной последовательности. Каждая строка содержит 512 значений – каждое от 1 до -1. Мы присвоили им цветовую кодировку, чтобы узор был виден.

Реальный пример позиционного кодирования для 20 слов (строк) с размером встраивания 512 (столбцов). Вы можете видеть, что он разделен пополам по центру. Это потому, что значения левой половины генерируются одной функцией (которая использует синус), а правая половина генерируется другой функцией (которая использует косинус).Затем они объединяются, чтобы сформировать каждый из векторов позиционного кодирования.

Формула позиционного кодирования описана в статье (раздел 3.5). Вы можете увидеть код для генерации позиционных кодировок в get_timing_signal_1d () . Это не единственный возможный метод позиционного кодирования. Однако это дает преимущество возможности масштабирования до невидимой длины последовательностей (например, если нашу обученную модель просят перевести предложение длиннее, чем любое из предложений в нашем обучающем наборе).

Обновление за июль 2020 года: Позиционное кодирование, показанное выше, взято из реализации преобразователя Tranformer2Transformer. Метод, показанный в статье, немного отличается тем, что он не соединяет напрямую, а переплетает два сигнала. На следующем рисунке показано, как это выглядит. Вот код для его создания:

Остатки

Одна деталь в архитектуре кодера, которую мы должны упомянуть, прежде чем двигаться дальше, заключается в том, что каждый подуровень (самовнимание, ffnn) в каждом кодере имеет остаточное соединение вокруг себя, за которым следует этап нормализации уровня. .

Если мы визуализируем векторы и операцию уровня-нормы, связанную с самовниманием, это будет выглядеть так:

Это также относится к подуровням декодера. Если мы представим себе преобразователь из двух стековых кодировщиков и декодеров, он будет выглядеть примерно так:

Сторона декодера

Теперь, когда мы рассмотрели большинство концепций кодировщика, мы в основном знаем, как работают компоненты декодеров.Но давайте посмотрим, как они работают вместе.

Кодер запускает обработку входной последовательности. Затем выходной сигнал верхнего кодера преобразуется в набор векторов внимания K и V. Они должны использоваться каждым декодером на его уровне «внимание кодер-декодер», который помогает декодеру сосредоточиться на соответствующих местах во входной последовательности:

После завершения этапа кодирования мы начинаем этап декодирования. Каждый шаг в фазе декодирования выводит элемент из выходной последовательности (в данном случае предложение английского перевода).

Следующие шаги повторяют процесс до тех пор, пока не будет достигнут специальный символ, указывающий, что декодер трансформатора завершил свой вывод. Выходные данные каждого шага поступают в нижний декодер на следующем временном шаге, и декодеры выводят свои результаты декодирования так же, как это сделали кодеры. И так же, как мы поступили с входами кодировщика, мы встраиваем и добавляем позиционное кодирование к этим входам декодера, чтобы указать положение каждого слова.

Слои самовнимания в декодере работают немного иначе, чем в кодировщике:

В декодере слой самовнимания может обращать внимание только на более ранние позиции в выходной последовательности.Это делается путем маскирования будущих позиций (установка их на -inf ) перед шагом softmax в вычислении самовнимания.

Слой «Внимание кодировщика-декодера» работает так же, как многоголовое самовнимание, за исключением того, что он создает свою матрицу запросов из нижележащего уровня и берет матрицу ключей и значений из выходных данных стека кодировщика.

Последний линейный слой и слой Softmax

Стек декодера выводит вектор чисел с плавающей запятой. Как превратить это в слово? Это работа последнего слоя Linear, за которым следует слой Softmax.

Линейный слой – это простая полносвязная нейронная сеть, которая проецирует вектор, созданный стеком декодеров, в гораздо более крупный вектор, называемый вектором логитов.

Предположим, что наша модель знает 10 000 уникальных английских слов («выходной словарь» нашей модели), которые она выучила из набора обучающих данных. Это сделало бы вектор логитов шириной 10 000 ячеек – каждая ячейка соответствует количеству уникального слова. Вот как мы интерпретируем вывод модели, за которой следует линейный слой.

Затем слой softmax превращает эти оценки в вероятности (все положительные, все в сумме дают 1,0). Выбирается ячейка с наибольшей вероятностью, и слово, связанное с ней, создается в качестве выходных данных для этого временного шага.

Этот рисунок начинается снизу с вектора, полученного на выходе стека декодера. Затем оно превращается в выходное слово.

Итоги обучения

Теперь, когда мы рассмотрели весь процесс прямого прохода через обученный преобразователь, было бы полезно взглянуть на интуицию обучения модели.

Во время обучения неподготовленная модель должна пройти точно такой же прямой проход. Но поскольку мы обучаем его на помеченном наборе обучающих данных, мы можем сравнить его выходные данные с фактическими правильными выходными данными.

Чтобы наглядно это представить, предположим, что наш выходной словарь содержит только шесть слов («а», «я», «я», «спасибо», «ученик» и «» (сокращение от «конец предложения») ).

Выходной словарь нашей модели создается на этапе предварительной обработки еще до того, как мы начинаем обучение.

Как только мы определим наш выходной словарь, мы можем использовать вектор той же ширины для обозначения каждого слова в нашем словаре. Это также называется горячим кодированием. Так, например, мы можем указать слово «am» с помощью следующего вектора:

Пример: быстрое кодирование нашего выходного словаря

После этого резюме давайте обсудим функцию потерь модели – метрику, которую мы оптимизируем на этапе обучения, чтобы создать обученную и, надеюсь, удивительно точную модель.

Функция потерь

Допустим, мы обучаем нашу модель. Допустим, это наш первый шаг на этапе обучения, и мы обучаем его на простом примере – переводе слова «мерси» в «спасибо».

Это означает, что мы хотим, чтобы на выходе было распределение вероятностей с указанием слова «спасибо». Но поскольку эта модель еще не обучена, это вряд ли произойдет.

Поскольку все параметры модели (веса) инициализируются случайным образом, (необученная) модель создает распределение вероятностей с произвольными значениями для каждой ячейки / слова.Мы можем сравнить его с фактическим результатом, а затем настроить все веса модели с помощью обратного распространения ошибки, чтобы приблизить результат к желаемому результату.

Как сравнить два распределения вероятностей? Мы просто вычитаем одно из другого. Для получения дополнительных сведений см. Кросс-энтропию и расхождение Кульбака – Лейблера.

Но учтите, что это упрощенный пример. Более реалистично, мы будем использовать предложение длиннее одного слова. Например – ввод: «je suis étudiant» и ожидаемый результат: «я студент».На самом деле это означает, что мы хотим, чтобы наша модель последовательно выводила распределения вероятностей, где:

Каждое распределение вероятностей представлено вектором ширины vocab_size (6 в нашем игрушечном примере, но более реалистично число вроде 30 000 или 50 000)
Первое распределение вероятностей имеет наивысшую вероятность в ячейке, связанной со словом «i»
Второе распределение вероятностей имеет самую высокую вероятность в ячейке, связанной со словом «am»
И так далее, пока пятое выходное распределение не укажет символ « <конец предложения> », с которым также связана ячейка из словаря из 10 000 элементов.

Целевые распределения вероятностей, с которыми мы будем обучать нашу модель в обучающем примере для одного предложения-образца.

После обучения модели в течение достаточного времени на достаточно большом наборе данных мы надеемся, что полученные распределения вероятностей будут выглядеть следующим образом:

Надеемся, что после обучения модель выдаст правильный перевод, который мы ожидаем. Конечно, это не настоящее указание на то, была ли эта фраза частью обучающего набора данных (см .: перекрестная проверка).Обратите внимание, что каждая позиция имеет небольшую вероятность, даже если она вряд ли будет результатом этого временного шага – это очень полезное свойство softmax, которое помогает процессу обучения.

Теперь, поскольку модель производит выходные данные по одному, мы можем предположить, что модель выбирает слово с наибольшей вероятностью из этого распределения вероятностей и отбрасывает остальные. Это один из способов (называемый жадным декодированием). Другой способ сделать это – удержаться, скажем, за два верхних слова (например, «I» и «a»), а затем на следующем шаге запустить модель дважды: один раз предполагая, что первая выходная позиция была слово «I», и в другой раз, предполагая, что первой выходной позицией было слово «a», и какая бы версия ни вызвала меньше ошибок, учитывая обе позиции №1 и №2, сохраняется.Мы повторяем это для позиций №2 и №3… и т. Д. Этот метод называется «поиск луча», где в нашем примере для beam_size было два (это означает, что всегда две частичные гипотезы (незавершенные переводы) сохраняются в памяти), а top_beams также равно двум (что означает, что мы вернем два перевода. ). Это оба гиперпараметра, с которыми вы можете поэкспериментировать.

Двигайтесь вперед и трансформируйте

Надеюсь, вы нашли это полезным местом, чтобы начать ломать голову над основными концепциями Трансформера.Если вы хотите углубиться, я бы посоветовал следующие шаги:

Доработки:

Благодарности

Благодарим Илью Полосухина, Якоба Ушкорейта, Ллиона Джонса, Лукаша Кайзера, Ники Пармар и Ноама Шазира за отзывы о более ранних версиях этого поста.

Пожалуйста, напишите мне в Твиттер, чтобы я получил любые исправления или отзывы.

Объяснение

трансформаторов. Исчерпывающее объяснение… | Рохан Джагтап

Как упоминалось ранее, самовнимание – это «внимание» к словам из одной и той же последовательности.

На первый взгляд, самовнимание определяет влияние слова на предложение.

На картинке выше работа самовнимания поясняется на примере предложения «Это внимание». Слово «Это» оперирует любым другим словом в предложении. Аналогичным образом рассчитываются веса внимания для всех слов (здесь «есть» и «Внимание»). Здесь нет понятия «скрытое состояние» . Входы используются напрямую. Это удаляет последовательность из архитектуры, что позволяет распараллеливать.

В случае Transformer используется Multi-Head Attention , о чем будет рассказано далее в этом посте.

До сих пор мы видели механизмы, реализованные в Transformer. Далее мы фактически увидим, как объединены эти смежные механизмы и несколько компонентов, характерных для модели.

Мы попробуем построить преобразователь снизу вверх

Позиционное кодирование

Позиционное кодирование в преобразователе через «Внимание – все, что вам нужно»

Если вы заметили, вычисления самовнимания не имеют понятия о порядке слов среди последовательности.Хотя RNN медленные, их последовательный характер обеспечивает сохранение порядка слов. Итак, чтобы выявить это понятие позиционирования слов в последовательности, позиционных кодировок добавляются к обычным входным вложениям. Размерность позиционных кодировок такая же, как у вложений ( d_model ) для облегчения суммирования обоих. В статье позиционные кодировки получаются с помощью:

Использование синусоид для позиционных кодировок через «Внимание – это все, что вам нужно»

Здесь i – размер, а pos – позиция слова.Мы используем синус для четных значений (2i) размеров и косинус для нечетных значений (2i + 1). Есть несколько вариантов позиционного кодирования – изученное или фиксированное. Это фиксированный путь, поскольку в статье говорится, что изученные и фиксированные методы дали идентичные результаты.

Общая идея заключается в том, что для фиксированного смещения k PEₚₒₛ₊ₖ может быть представлен как линейная функция от PEₚₒₛ.

Маскирование

Маскирование, используемое в многоголовом внимании через «Внимание – это все, что вам нужно»

В механизме многоголового внимания Трансформатора используются два вида масок.

Работа с маской заполнения

Маска заполнения: Предполагается, что входной вектор последовательностей имеет фиксированную длину. Следовательно, параметр max_length определяет максимальную длину последовательности, которую может принять преобразователь. Все последовательности, длина которых превышает max_length , усекаются, а более короткие последовательности – , дополненные нулями . Заполнение нулями, однако, не должно участвовать ни в вычислении внимания, ни в генерации целевой последовательности.Работа маски заполнения поясняется на рисунке рядом. Это дополнительная операция в трансформаторе.

Работа с маской упреждающего просмотра

Маска упреждающего просмотра: При генерации целевых последовательностей в декодере, поскольку преобразователь использует самовнимание, он имеет тенденцию включать все слова из входов декодера. Но на практике это неверно. Только слова, предшествующие текущему слову, могут способствовать созданию следующего слова. Masked Multi-Head Attention обеспечивает это.Работа маски упреждающего просмотра поясняется на рисунке рядом.

Следующий фрагмент кода объясняет, как помогает заполнение:

 >>> a = tf.constant ([0.6, 0.2, 0.3, 0.4, 0, 0, 0, 0, 0, 0]) 
 >>> tf.nn.softmax (a) 
  array ([0,15330984, 0,10276665, 0,11357471, 0,12551947, 0,08413821, 
 0,08413821, 0,08413821, 0,08413821, 0,08413821, 0,08413821, 0,08413821], 
 dtype = float32)> 
 >>> b = tf.константа ([0,6, 0,2, 0,3, 0,4, -1e9, -1e9, -1e9, -1e9, -1e9, -1e9]) 
 >>> tf.nn.softmax (b) 
  array ([0.3096101, 0.20753784, 0.22936477, 0.25348732, 0., 
 0., 0., 0., 0., 0.], 
 dtype = float32)>

Scaled Dot-Product Attention

Scaled Dot-Product Attention через «Внимание – это все, что вам нужно»

Это основной этап «Вычисления внимания», который мы ранее обсуждали в разделе «Собственное внимание».Это включает в себя несколько шагов:

MatMul: Это операция матричного скалярного произведения. Сначала запрос и ключ проходят эту операцию. Математически операцию можно представить следующим образом:

MatMul (Q, K) = Q.Kᵀ

Масштаб: Результат операции скалярного произведения может привести к большим значениям, которые могут испортить softmax в более поздней части. Следовательно, мы масштабируем их, разделив на коэффициент масштабирования √dₖ.
Маска: Дополнительная маска заполнения уже обсуждается в разделе маскирования выше.
Softmax: Функция softmax приводит значения к распределению вероятностей, то есть [0, 1].

Окончательное уравнение внимания масштабированного скалярного произведения через «Внимание – это все, что вам нужно»

Масштабируемое внимание скалярного произведения – главный компонент многоголового внимания, которое мы собираемся увидеть в следующем подразделе.

Multi-Head Attention

Multi-Head Attention через «Внимание – это все, что вам нужно»

Multi-Head Attention – это, по сути, интеграция всех ранее обсужденных микроконцепций.

На рисунке рядом h – количество головок. Что касается математики, начальные входные данные для Multi-Head Attention делятся на h частей, каждая из которых имеет запросы, ключи и значения, для max_length слов в последовательности для последовательностей batch_size. Размеры Q, K, V называются глубиной , которая рассчитывается следующим образом:

глубина = d_model // h

Это причина, по которой d_model должно полностью делиться на h . Итак, при разделении d_model -образные векторы разбиваются на h векторов с глубиной формы . Эти векторы передаются как Q, K, V в масштабированное скалярное произведение, и на выходе получается « Concat » путем повторного преобразования векторов h в 1 вектор формы d_model . Этот преобразованный вектор затем проходит через уровень нейронной сети с прямой связью.

Точечная сеть прямого распространения и остаточное выпадение

Точечное FFN и остаточное выпадение через «Внимание – это все, что вам нужно»

Сетевой блок точечной прямой связи по существу представляет собой двухуровневое линейное преобразование, которое используется одинаково повсюду. архитектура модели, обычно после блоков внимания.

Для регуляризации выпадение применяется к выходным данным каждого подуровня перед добавлением ко входам подуровня и нормализацией.

И, наконец, у нас есть готовый Трансформатор!

Трансформатор через «Внимание – это все, что вам нужно»

Все компоненты собираются вместе, чтобы построить трансформатор. Блок Encoder находится слева, а Decoder – справа.

Блоки кодировщика и декодера могут быть дополнительно настроены на N to единиц для корректировки модели. ВНИМАНИЕ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

В этом посте мы увидели проблемы с подходами на основе RNN в задачах преобразования последовательности и то, как революционная модель Transformer решает их.