Основным поводом для создания электронного ЛАТРа своими руками является избыток на рынке электротоваров ненадежных регуляторов. Выходом из ситуации может быть образец промышленного типа, но такие экземпляры стоят дорого и обладают внушительными габаритами, что затрудняет его использование в домашних условиях.

Что представляет собой прибор

Стоит упомянуть, что лабораторные автотрансформаторы (ЛАТР) широко использовались еще полвека тому назад. Прежние варианты прибора обладали токосъемным контактом, который был расположен на вторичной обмотке. Это позволяло плавно изменять выходное напряжение (его значение).

Если подключались всевозможные лабораторные приборы, был вариант оперативной смены напряжения. Например, при необходимости легко можно было повлиять на степень нагрева паяльника, регулировать яркость освещения, обороты электродвигателя и многое другое. Вот такой своеобразный регулирующий блок питания.

Рисунок 1. Схема простого варианта ЛАТРа.

Нынешний вариант ЛАТРа обладает различными модификациями. В целом его можно считать трансформатором, в котором происходит трансформация переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой. Устройство широко используется в качестве стабилизатора напряжения. Основной особенностью является возможность изменения напряжения на выходе из прибора. ЛАТРы бывают нескольких вариантов исполнения:

• однофазного;
• трехфазного.

Трехфазный вариант представляет собой вмонтированные в едином корпусе три однофазных лабораторных автотрансформатора. Кстати, желающих стать обладателем трехфазного варианта значительно меньше.

Простой прибор для регулирования

Существует весьма простенький вариант ЛАТРа, который доступен даже для начинающих, его схема изображена на рис. 1. Регулируемый таким прибором диапазон напряжений находится в пределах 0-220 вольт. Данный самодельный регулятор обладает мощностью 25-500 Вт. Увеличение мощности устройства может быть проведено посредством установки тиристоров VD1 и VD2 на радиаторы.

Полупроводниковые приборы (речь идет о тиристорах ВД1 и ВД2) следует подключить параллельно с нагрузкой R1. Пропускаемый ими ток имеет противоположные направления. Когда прибор включается в сеть, тиристоры остаются закрытыми, в отличие от конденсаторов С1 и С2, зарядка которых производится резистором R5. Если есть потребность, с помощью резистора R5 можно изменить напряжение, которое получается во время нагрузки. Резистор и конденсаторы создают фазосдвигающую цепь.

Рисунок 2. ЛАТР с биполярным транзистором.

Фазосдвигающая цепь — это электрический четырехполюсник, гармонический сигнал на выходе которого сдвигается по фазе относительно входного сигнала. Распространены в САУ в качестве устройств корректировки, которые обеспечивают устойчивость и необходимое качество управления. Частными случаями являются дифференцирующие и интегрирующие цепи.

Данное техническое решение позволяет использовать для нагрузки не половинную мощность, а полную. Достигается это благодаря тому, что используются оба полупериода переменного тока.

К недостаткам можно отнести форму переменного напряжения на нагрузке. В этом варианте она не строго синусоидальная. Специфика работы полупроводниковых приборов является основной причиной. Наличие такой особенности способно вызвать помехи в сети. Но их можно устранить путем дополнительной установки дросселей (фильтров последовательной нагрузки) на схему. Такие фильтры можно найти даже в неисправном телевизоре.

Регулятор напряжения: вариант с трансформатором

Лабораторный автотрансформатор, который не станет причиной помех в сети и способный на выходе давать синусоидальное напряжение, устроен немного сложнее предыдущего.

Его схема (рис. 2) содержит биполярный транзистор VТ1. Он выступает в роли регулирующего элемента в таком устройстве. Мощность этого транзистора определяется в зависимости от необходимой нагрузки. В схеме он включен последовательно с нагрузкой и функционирует как реостат. Такой вариант предоставляет способность производить регулировку рабочего напряжения как во время активных, так и реактивных нагрузок.

К сожалению, и тут имеется свой недостаток. Он заключается в том, что задействованный регулирующий транзистор выделяет слишком большое количество тепла. Чтобы устранить его, понадобится теплоотводящий радиатор, который будет обладать достаточной мощностью. В данном случае площадь такого радиатора должна составлять как минимум 250 см².

В такой модели используется трансформатор Т1, который должен обладать мощностью от 12 и до 15 Вт и вторичным напряжением от 6 до 10 В. Выпрямление тока происходит с помощью диодного моста VD6. Выпрямленный ток к транзистору VТ1 в любом варианте полупериода проходит через мост диодов VD2 и VD5. Чтобы произвести регулировку базового тока транзистора VТ1, необходимо прибегнуть к помощи переменного резистора R1. Таким образом происходит изменение параметров тока нагрузки.

С помощью вольтметра РV1 осуществляется контроль величины напряжения на выходе из устройства. Вольтметр берется с расчетом на напряжение от 250 до 300 В. Если есть необходимость повышения мощности нагрузки, следует произвести замену транзистора VD1 и диодов VD2-VD5 более мощными. За этим, разумеется, последует увеличение площади радиатора.

Как можно заметить, самостоятельная сборка ЛАТРа возможна, необходимо лишь обладать знаниями в этой области и обзавестись нужными материалами.

В настоящее время производится много регуляторов напряжения и большинство из них изготовлены на тиристорах и симисторах, которые создают значительный уровень радиопомех. Предлагаемый регулятор помех не даёт совсем и может использоваться для питания различных устройств переменного тока, без каких – либо ограничений, в отличие от симисторных и тиристорных регуляторов.
В Советском Союзе выпускалось очень много автотрансформаторов, которые, в основном, применялись для повышения напряжения в домашней электрической сети, когда по вечерам напряжение очень сильно падало, и ЛАТР (лабораторный автотрансформатор) был единственным спасением для людей, желающих посмотреть телевизор. Но главное в них то, что на выходе из этого автотрансформатора получается такая же правильная синусоида, как и на входе, не зависимо от напряжения. Этим свойством активно пользовались радиолюбители.
Выглядит ЛАТР так:

Напряжение в этом приборе регулируется при помощи качения графитового ролика по оголённым виткам обмотки:

Помехи в таком ЛАТРе, всё же были из - за искрения, в момент качения ролика по обмоткам.
В журнале «РАДИО», №11, 1999г на странице 40 была напечатана статья «Беспомеховый регулятор напряжения».
Схема этого регулятора из журнала:

В предлагаемом журналом регуляторе не искажается форма выходного сигнала, но низкий коэффициент полезного действия и невозможность получения повышенного напряжения (выше напряжения сети), а также устаревшие комплектующие, которые найти сегодня проблематично, сводят на нет все преимущества данного прибора.

Схема электронного ЛАТРа

Я решил по возможности избавиться от некоторых недостатков регуляторов, перечисленных выше и сохранить их главные достоинства.
От ЛАТРа возьмём принцип автотрансформации и применим его на обычном трансформаторе, тем самым повысим напряжение выше напряжения сети. Мне понравился трансформатор от блока бесперебойного питания. В основном тем, что его не нужно перематывать. Всё нужное в нём есть. Марка трансформатора: RT-625BN.

Вот его схема:

Как видно из схемы, в нём присутствует, помимо основной обмотки на 220 вольт, ещё две, выполненные обмоточным проводом того же диаметра, и две вторичные мощные. Вторичные обмотки отлично подходят для питания цепи управления и работы кулера охлаждения силового транзистора. Две дополнительные обмотки соединяем последовательно с первичной обмоткой. На фотографиях видно, как это сделано по цветам.

На красный и чёрный провода подаём питание.

Добавляется напряжение с первой обмотки.

Плюс две обмотки. Итого получается 280 вольт.
Если нужно большее напряжение, то можно домотать ещё провода до заполнения окна трансформатора, предварительно сняв вторичные обмотки. Только мотать нужно обязательно в том же направлении, что и предыдущая обмотка, и соединять конец предыдущей обмотки с началом следующей. Витки обмотки должны, как бы продолжать предыдущую обмотку. Если намотаете навстречу, то при включении нагрузки будет большая неприятность!
Повышать напряжение можно, лишь бы регулирующий транзистор выдержал это напряжение. Транзисторы из импортных телевизоров встречаются до 1500 вольт, так что простор есть.
Трансформатор можно взять и любой другой, подходящий вам по мощности, удалить вторичные обмотки и домотать провод до нужного вам напряжения. В этом случае, напряжение управления можно получить от дополнительного вспомогательного маломощного трансформатора на 8 – 12 вольт.

Если кому – то захочется повысить КПД регулятора, то можно и здесь найти выход. Транзистор бесполезно расходует электроэнергию на нагрев тогда, когда ему приходится сильно убавлять напряжение. Чем сильнее нужно убавить напряжение, тем сильнее нагрев. В открытом состоянии, нагрев незначителен.
Если изменить схему автотрансформатора и сделать на нём много выводов нужных вам уровней напряжения, то можно при помощи переключения обмоток подать на транзистор напряжение близкое к нужному вам в данный момент. Ограничения в количестве выводов трансформатора не имеется, нужен только соответствующий количеству выводов переключатель.
Транзистор в этом случае будет нужен только для незначительной точной корректировки напряжения и КПД регулятора повысится, а нагрев транзистора уменьшится.

Изготовление ЛАТРа

Можно приступать к сборке регулятора.
Схему из журнала я немного доработал, и получилось вот что:

С такой схемой можно значительно повышать верхний порог напряжения. С добавлением автоматического кулера, снизился риск перегрева регулирующего транзистора.
Корпус можно взять от старого компьютерного блока питания.

Сразу нужно прикинуть порядок размещения блоков устройства внутри корпуса и предусмотреть возможность их надёжного закрепления.

Если нет предохранителя, то обязательно нужно предусмотреть другую защиту от короткого замыкания.

Высоковольтный клеммник надёжно крепим к трансформатору.

На выход я поставил розетку для подключения нагрузки и контроля напряжения. Вольтметр можно поставить любой другой, на соответствующее напряжение, но не меньше 300 Вольт.

Понадобится

Нам понадобятся детали:

• Радиатор охлаждения с кулером (любой).
• Макетная плата.
• Контактные колодки.
• Детали можно подбирать исходя из наличия и соответствия номинальным параметрам, я ставил то, что первым под руку попало, но выбирал более или менее подходящее.
• Диодные мосты VD1 – на 4 - 6А – 600 В. Из телевизора, кажется. Или собрать из четырёх отдельных диодов.
• VD2 - на 2 - 3 А – 700 В.
• T1 – C4460. Транзистор я поставил от импортного телевизора на 500V и мощностью рассеяния 55W. Можете попробовать любой другой подобный высоковольтный, мощный.
• VD3 – диод 1N4007 на 1A 1000 В.
• C1 – 470mf х 25 В, лучше ёмкость ещё увеличить.
• C2 – 100n.
• R1 – 1 кОм потенциометр любой проволочный, от 500 Ом и выше.
• R2 – 910 - 2 Вт. Подбор по току базы транзистора.
• R3 и R4 - по 1 кОм.
• R5 – подстрочный резистор на 5 кОм.
• NTC1 - терморезистор на 10 кОм.
• VT1 – любой полевой транзистор. Я поставил RFP50N06.
• M – кулер на 12 В.
• HL1 и HL2 – любые сигнальные светодиоды, их можно вовсе не ставить вместе с гасящими резисторами.

Первым делом нужно приготовить плату для размещения деталей схемы и закрепить её на месте в корпусе.

Размещаем на плате детали и припаиваем их.

Когда схема собрана, настаёт время её предварительного испытания. Но нужно это делать очень осторожно. Все детали находятся под напряжением сети.
Для испытания устройства я спаял две лампочки на 220 вольт последовательно, чтобы они не сгорели, когда на них пойдёт напряжение 280 вольт. Одинаковой мощности лампочек не нашлось и поэтому накал спиралей сильно различается. Нужно иметь ввиду, что без нагрузки регулятор работает очень некорректно. Нагрузка в данном устройстве является частью схемы. При первом включении лучше поберегите глаза (вдруг что – то напутали).
Включаем напряжение и потенциометром проверяем плавность регулировки напряжения, но не долго, во избежание перегрева транзистора.

ЛАТР - лабораторный автотрансформатор регулируемый - один из видов автотрансформаторов, представляющий собой автотрансформатор относительно небольшой мощности, и предназначенный для регулирования переменного напряжения (переменного тока), подаваемого на нагрузку от однофазной или трехфазной сети переменного тока.

В основе ЛАТРа, как и любого другого сетевого трансформатора, - сердечник из электротехнической стали. Но на тороидальном сердечнике ЛАТРа, в отличие от других типов сетевых трансформаторов, размещена всего одна обмотка (первичная), часть которой может выступать в роли вторичной, и количество витков вторичной обмотки может оперативно регулироваться пользователем, в этом и заключается отличительная особенность ЛАТРа от простых автотрансформаторов.

Для регулирования количества витков, приходящихся на вторичную обмотку, в конструкции автотрансформатора присутствует поворотная ручка, с которой связана скользящая угольная щетка. При повороте ручки щетка скользит от витка к витку вдоль обмотки, так регулируется .

Со скользящей щеткой непосредственно и соединен один из вторичных выводов лабораторного автотрансформатора. Второй вторичный вывод является общим со стороной входа сети. Потребители подключаются к выходным клеммам ЛАТРа, а входные его клеммы присоединяется к однофазной или трехфазной электросети. В однофазном ЛАТРе один сердечник и одна обмотка, а в трехфазном - три сердечника, и на каждом по одной обмотке.

Напряжение на выходе ЛАТРа может быть как больше входного, так и меньше, например для сети однофазной регулируемый диапазон составляет от 0 до 250 вольт, а для трехфазной - от 0 до 450 вольт. Примечательно, что КПД ЛАТРа тем выше, чем ближе выходное напряжение к входному, и может достигать 99%. Форма выходного напряжения - .

На передней панели ЛАТРа располагается вольтметр вторичной цепи для возможности оперативного контроля перегрузки и более точной установки выходного напряжения. Корпус ЛАТРа имеет вентиляционные отверстия, через которые происходит естественное воздушное охлаждение магнитопровода и обмотки.

Лабораторные автотрансформаторы применяют в лабораториях для исследовательских целей, для тестирования оборудования переменного тока, да и просто для ручной стабилизации напряжения сети, если оно на данный момент ниже требуемого номинала.

Разумеется, если напряжение в сети постоянно скачет, то автотрансформатор не спасет, потребуется полноценный стабилизатор. В других случаях ЛАТР - это как раз то что нужно, чтобы точно отрегулировать напряжение для текущей задачи. Такими задачами могут быть: наладка промышленного оборудования, тестирование высокочувствительной аппаратуры, настройка радиоэлектронных устройств, питание техники низкого напряжения, зарядка аккумуляторов и т.д.

Поскольку ЛАТР имеет всего одну обмотку, общую для первичной и вторичной цепей, то и ток вторичной обмотки оказывается общим для первичной и вторичной цепей. С этой точки зрения очевидно, что ток вторичной обмотки и первичный ток в общих витках направлены противоположно, поэтому общий ток равен разности токов I1 и I2, то есть I2 – I1 = I12 – ток в общих витках. Вот и получается, что при величине вторичного напряжения близкой к входному, общие витки могут быть намотаны проводом меньшего сечения, чем в случае изготовления двухобмоточного трансформатора.

Конструктивная особенность ЛАТРа вынуждает нас разделять понятия «проходная мощность» и «расчетная мощность». Расчетная мощность - это та, которая передается от первичной обмотки во вторичную цепь посредством электромагнитной индукции через сердечник, как у обычного двухобмоточного трансформатора, а проходная мощность - это сумма проходной мощности и той мощности, которая передается только по электрической составляющей, то есть без участия магнитной индукции в сердечнике.

Получается, что кроме расчетной мощности во вторичную цепь передается еще и чисто электрическая мощность, равная U2*I1. Вот почему для автотрансформаторов требуется магнитопровод меньшего сечения для передачи одной и той же мощности, по сравнению с обычными двухобмоточными трансформаторами. В этом и заключается причина более высокого КПД автотрансформаторов. К тому же меди для провода требуется меньше.

Итак, при небольшом коэффициенте трансформации, ЛАТР может похвастаться следующими достоинствами: КПД до 99,8%, меньший размер магнитопровода, меньший расход материалов. И все это благодаря наличию электрической связи между первичной и вторичной цепями. С другой стороны отсутствие между цепями приводит к опасности поражения фазным током от выходных клемм ЛАТРа и даже от одной из клемм, поэтому необходимо быть в высшей степени аккуратным при работе с лабораторным автотрансформатором.

Трансформатор имеющий электрическую связь между обмотками называют лабораторным автотрансформатором, или ЛАТРом. Вольтаж цепи нагрузки прямо пропорционален обмотке вторичной цепи. В зависимости от конструкции, получение нужного выходного напряжения производиться подключением к соответствующим выводам или вращением ручного регулятора (рис. 1). В этой статье описывается как сделать ЛАТР в домашних условиях.

Подготовка материала

Для сборки ЛАТРа понадобятся следующие материалы и устройства:

• Медная обмотка;
• Тороидальный или стержневой магнитопровод. Можно приобрести в специализированном магазине или извлечь из испорченной техники;
• Термоустойчивый лак;
• Тряпичная изолента;
• Корпус с закрепленными разъемами для подключения нагрузки и питания.

Для лабораторного ЛАТРа с переменным коэффициентом трансформации могут дополнительно понадобиться:

1. Цифровой или аналоговый вольтметр.
2. Поворотный механизм, включающий в себя ручку и ползунок с угольной щеткой. Он будет регулировать напряжение.

Расчет провода

Автотрансформатор нецелесообразно использовать для больших трансформаций по следующим причинам:

• Большой риск получить токи, близкие к короткому замыканию. Это компенсируется специальными электронными схемами или дополнительным сопротивлением. Для маленьких нагрузок выгоднее использовать электронный ЛАТР.
• Теряются преимущества перед трансформаторами: высокий КПД, экономия проводника и стали, малые габариты и вес, стоимость.

Определяемся в каких пределах будет работать ЛАТР. Питание сети выбираем 220 В. В качестве вторичных напряжений выбираем 127, 180 и 250 В. Мощность ограничиваем в 300 Вт. Можете выбрать свои значения и произвести аналогичные расчеты на примере этой статьи.

Обмотка рассчитывается по большему току. Наибольший ток будет при преобразовании напряжения 220 в 127 В. Автотрансформатор в этом случае является понижающим, и к нему подходит схема 1. Исходя из предоставленной схемы, рассчитываем максимальный ток I проходящий в обмотке обеих цепей:

I = I2 – I1 = P / U2 – P / U1 = 300 / 127 – 300 / 220 = 1 А

• где I, I2, I3 – токи в соответствующих участках цепи, А;
• P – мощность, Вт;
• U1, U2 – напряжения первичной и вторичной цепи, В.

Диаметр провода рассчитываем по формуле:

d = 0,8 * √I = 1 мм.

Из таблицы 1 выбираем тип провода и сечение. Выбор делаем с учетом расчетного тока и среднего значения плотности тока для трансформаторов – 2 А/мм².

Коэффициент трансформации ЛАТРа n вычисляем по формуле:

n = U1 / U2 = 220 / 127 = 1,73

Для дальнейшего расчета вычисляем расчетную мощность Pр:

Pр = P * k * (1 – 1/n) = 300 * 1,2 * (1 – 1/1,73) = 151,92 Вт

где к – коэффициент, учитывающий КПД автотрансформатора.

Для определения количества витков приходящихся на 1 вольт, необходимо посчитать площадь поперечного сечения сердечника S и определиться с типом магнитопровода:

S = √ Pр = √ 151,92 = 12,325 см²

W0 = m / S = 35 / 12,325 = 2,839

• где W0 – количество витков, приходящихся на 1 вольт;
• m – 50 для стержневого и 35 для тороидального магнитопроводов.

Если сталь не очень высокого качества стоит увеличить значение W0 на 20-30 %. Так же при расчете витков следует увеличить их количество на 5-10 %, чтобы избежать просадки напряжения. Рассчитываем количество витков для выбранных напряжений 127, 180, 220 и 250 В:

w = W0 * U

Получаем 360, 511, 624 и 710 витков.

Для расчета длины провода обматываем один виток на магнитопровод и измеряем его длину. Затем умножаем на максимальное количество витков и прибавляем по 25-30 сантиметров для каждого вывода к клемме.

Процесс сборки

Для сборки регулируемого ЛАТРа выбираем тороидальный магнитопровод (рис. 2). Место наложения обмотки изолируем тряпичной изолентой. Выводим провод для первой клеммы питания. Все последующие провода выводим не разрывая. Закрепляем первый виток на магнитопроводе и начинаем накручивать рассчитанное количество. При достижении витка соответствующего одному из выбранных напряжений, выводим петлю, и продолжаем наматывать провод. На рисунке 3 изображен процесс намотки на деревянном каркасе.

После наложения обмотки лакируем ЛАТР. Наполняем емкость выбранным лаком, и окунаем в него автотрансформатор. Оставляем на длительную просушку.

После просушки помещаем автотрансформатор в корпус. Первый выведенный провод присоединяем к разъему питания. Этот разъем должен быть электрически связан с общей клеммой нагрузки, поэтому соединяем их между собой каким-нибудь проводником. Петлю выведенную для 220 В, соединяем со второй клеммой питания. Остальные провода подключаем к соответствующим клеммам вторичной цепи. На “схеме” 2 изображены выводы проводов.

Для лабораторного автотрансформатора с переменным коэффициентом трансформации добавляем корпус, и делаем крепление для ручки регулятора. К ручке прикрепляем ползунок с угольной щеткой. Щетка должна плотно касаться верхней части обмотки. Помечаем область по которой будет передвигаться щетка, и в этом месте избавляемся от изоляции. Так щетка будет иметь прямой электрический контакт с вторичной обмоткой. Клеммы вторичных напряжений, кроме общей, заменяем одной, соединенной с угольной щеткой (схема 3). При подсоединяем закрепляем вольтметр.

Если следовать написанной статье, то ЛАТР можно с легкостью сделать своими руками.

Проверка

Что бы убедиться в бесперебойной и надежной работе устройства, выполняем следующие пункты:

1. Подключаем автотрансформатор к сети 220 В;
2. Проверяем на отсутствие задымления, запаха гари, сильных шумов;
3. Вольтметром проверяем соответствие выходных значений;
4. Через 10 — 20 минут работы отключаем ЛАТР. Проверяем не перегрелась ли обмотка.
5. Снова включаем ЛАТР в сеть и подключаем нагрузку на длительное время.

При отсутствии проблем автотрансформатор готов к работе.

Для проведения лабораторных работ, а также для наладки и испытания различных устройств из области радиотехники, существует специальный прибор лабораторный автоматический трансформатор (ЛАТР). Схема подключения отвечает всем требованиям безопасности, с ее помощью осуществляется плавная регулировка переменного тока.

Использование трансформаторов ЛАТР

Данная конструкция трансформатора используется при лабораторных исследованиях с нестандартным напряжением. С его помощью, в ручном режиме поддерживается номинальное напряжение нагрузки. Как правило, ЛАТРы применяются при тестировании низковольтных приборов и оборудования.

Нередко, выполняют функцию блока питания в приборах, предназначенных для нагревания нихромовой нити и разрезания пенопластовых, акриловых и прочих материалов.

В трансформатор встраивается вольтметр и регулятор, изменяющий переменный ток на выходе. изменяется при перемещении контакта, подключающего нагрузку в обмотке ЛАТР.

Подготовка к работе и подключение

После пребывания автотрансформатора в условиях низкой температуры, его нужно выдержать в условиях будущей эксплуатации как минимум 4 часа.

Перед подключением производится осмотр корпуса трансформатора на предмет отсутствия видимых внешних повреждений. После этого, схема подключения ЛАТР предполагает подключение кабеля нагрузки и сетевого кабеля. После всех подключений, осуществляется подача к автотрансформатору питающего напряжения.

Для того, чтобы подключение было выполнено правильно, при отключенной нагрузке, на шкале прибора устанавливается половинное значение напряжения. Затем, необходимо включить вольтметр, первый щуп соединить с нулевым проводом сети, а второй щуп должен контролировать напряжение на выходе автотрансформатора. На одном контакте напряжение будет иметь нулевое, а на втором контакте половинное значение. Это означает, что прибор подключен правильно. В случае неправильного подключения, напряжение на выходе будет таким же, как и в электрической сети, в пределах 220 вольт.

При подключении ЛАТР необходимо соблюдать правила электробезопасности. Внутри прибора существует опасное значение напряжения свыше 220 вольт, при частоте 50 герц. Поэтому, работать с автотрансформатором могут только специалисты с допуском, разрешающим работать с оборудованием при напряжении до 1000 вольт.

С самим трансформатором нужно обращаться бережно, избегать ударов, перегрузок, воздействия агрессивной среды.