ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА
ОПРЕДЕЛЕНИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ В АППАРАТУРЕ
Определения и классификация. Трансформатор — электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмотки и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока. При классификации трансформаторов их разделяют на группы, обладающие общими свойствами и выполняющие близкие функции.
Трансформаторы питания предназначены для преобразования переменного напряжения первичного источника в любые другие значения напряжения, необходимые для нормального функционирования аппаратуры. Их можно разделить на три. подгруппы: маломощные трансформаторы с выходной мощностью менее 1 кВт и напряжением не более 1000 В (широко применяются в РЭА и в составе источников вторичного электропитания (ИВЭП) аппаратуры разного назначения); мощные трансформаторы питания с выходной мощностью более 1 кВт (в РЭА применяются только для мощных источников питания передатчиков и усилителей); высоковольтные трансформаторы, напряжение на обмотках которых превышает 1000 В или обмотки которых находятся под высоким потенциалом (используются в РЭА в составе выпрямителей для питания магнетронов, электронно-лучевых трубок и т. д.).
Границы между этими группами — условны и в основном определяются тем, при какой мощности и каком напряжении происходит изменение конструкции трансформатора, т. е. изменение конструкции магнитопровода, изоляционных материалов, марок проводов и т. д.
На конструкцию трансформаторов питания существенно влияет частота. Поэтому дополнительно они классифицируются по частоте питающего напряжения, например трансформаторы, работающие от сети 50 или 400 ... 1000 Гц. Трансформаторы в этом случае называют сетевыми в отличие от преобразовательных, используемых в статических преобразователях, которые в последние годы находят широкое применение.
В статических преобразователях трансформаторы работают в режиме, отличном от режима, в котором работают сетевые, и на других частотах, обычно значительно более высоких (для уменьшения размеров трансформатора). Частота, на которой работает трансформатор, определяется не частотой сети, а допустимой частотой для магнитопровода трансформатора, входящего в состав генератора (при проектировании устройства питания).
По конструкции (магнитопроводов, каркасов-гильз, защитных элементов) к трансформаторам питания близки дроссели фильтров. Они имеют высокое индуктивное сопротивление на частоте пульсации в выпрямителях и малое сопротивление постоянному току, что позволяет снижать потери в фильтрах ИВЭП.
Трансформаторы согласования, предназначенные для передачи переменных электрических сигналов, несущих полезную информацию, для изменения уровня напряжений (токов) при сохранении мощности и минимальном искажении сигнала. Вместе с активными элементами, например транзисторами, эти трансформаторы входят в состав усилителей мощности, используемых для передачи речи и музыки, спектр частот которых находится в пределах от 30 ... 50 Гц до 3 ... 20 кГц.
Импульсные трансформаторы, основное назначение которых состоит в том, чтобы под влиянием токов (напряжений),действующих в первичной обмотке, вырабатывать на выходе короткие импульсы заданной формы или трансформировать импульсы с необходимым изменением уровня напряжения и тока.
Применение трансформаторов в РЭА и требования к ним. В РЭА имеются каскады и устройства, для питания которых требуются различные постоянные и переменные напряжения. Обычно мощный первичный источник питания имеет одно напряжение переменного тока. Поэтому любое радиоэлектронное устройство должно содержать сложную систему питания, в которую входят трансформаторы, выпрямители на разные напряжения и мощности, преобразователи постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения и т. п.
Трансформаторы питания предназначены для преобразования электрической энергии с заданной точностью по напряжению. Они должны иметь высокую надежность, минимальные размеры, массу или стоимость и допустимый перегрев. Требования уменьшения массы и габаритов трансформаторов питания и повышения надежности противоречивы. В настоящее время для улучшения массо-габаритных характеристик ИВЭП все шире внедряются статические преобразователи, в которых трансформаторы работают на повышенных частотах, например до 200 кГц.
Как отмечалось выше, кроме трансформаторов питания в РЭА. используются также трансформаторы согласования и импульсные. Трансформаторы согласования должны согласовывать сопротивление нагрузки с сопротивлением источников мощности в широком диапазоне частот. Основное требование, предъявляемое к ним, — обеспечение минимальных или допустимых искажений передаваемого сигнала. Практически оно сводится к тому, что трансформаторы должны иметь незначительные частотные искажения в определенной области частот и в них должны отсутствовать или быть в допустимых пределах нелинейные искажения, т. е. должна соблюдаться линейная зависимость между мгновенными напряжениями на входе и выходе трансформатора при изменении уровня напряжений в заданных пределах на входе. Нелинейные искажения в трансформаторах определяются нелинейной зависимостью магнитной проницаемости и индукции от напряженности магнитного поля, т. е. от напряжения на входе трансформатора.
Во многих случаях трансформаторы согласования работают при: малых мощностях, поэтому их перегрев незначителен. Трансформаторы согласования широко используются в бытовой РЭА. Из-за значительных габаритов и массы в РЭА специального назначения: на интегральных схемах они применяются редко.
Импульсные трансформаторы выполняют функции, аналогичные функциям трансформаторов согласования, но применительно к импульсным сигналам, например, длительностью от 0,2 до-100 мкс, поэтому в них особенно жесткие требования предъявляются к индуктивности первичной обмотки, индуктивности рассеяния и собственной емкости обмотки. Исходя из допустимых искажений формы импульса формулируются требованиям к тем параметрам трансформатора, на которых основывается электрический расчет и выбор конструкции. Импульсные трансформаторы широко применяются в РЭА, в том числе на ИС. Поэтому разработаны и выпускаются унифицированные импульсные трансформаторы и блоки импульсных трансформаторов, предназначенные для работы в микроэлектронной аппаратуре.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА
Принцип действия. В соответствии с законом электромагнитной индукции напряжение, возникающее на концах витка, пропорционально скорости изменения магнитного потока, пронизывающего этот виток. Если приложить переменное напряжение U1 к концам первичной обмотки, то по обмотке будет протекать переменный ток, который создаст магнитный поток. Во вторичной обмотке возникает переменная ЭДС (E2), пропорциональная числу витков и скорости изменения магнитного потока. Переменный магнитный поток создаст индуктированную в первичной обмотке ЭДС (E1), которая несколько меньше приложенного напряжения и противоположна ему по направлению. Это обеспечивает протекание намагничивающего тока.
Роль магнитопроводов (сердечников) в трансформаторах. Особенностью трансформаторов является использование в них магнитопроводов из стали, пермаллоя или ферритов. Они применяются для обеспечения возможно более полной связи между первичной и вторичной цепями и увеличения магнитного потока. Магнитный поток должен замыкаться внутри магнитопровода, не рассеиваясь в окружающее пространство, которое представляет большое магнитное сопротивление. Однако в реальном трансформаторе не весь магнитный поток, возбуждаемый первичной обмоткой, пронизывает витки вторичной обмотки, и это приводит к уменьшению Е2. Аналогично магнитный поток вторичной обмотки пронизывает не все витки первичной обмотки.
Несмотря на высокие магнитные свойства материалов, применяемых в магнитопроводах, они создают сопротивление для переменного магнитного потока. Как уже отмечалось, возникновение магнитного потока связано с током подмагничивания Iμ. Он тем меньше, чем выше качество материала магнитопровода.
Перемагничивание магнитопровода сопровождается потерями. При действии переменного поля в материале магнитопровода наблюдается магнитный поверхностный эффект, который приводит к дополнительным потерям и уменьшению полезного сечения магнитопровода. Потери энергии в магнитопроводе на перемагничивание и на вихревые токи приводят к увеличению тока, протекающего по первичной обмотке, на значение, необходимое для компенсации этих потерь.
Магнитопроводы для трансформаторов согласования и импульсных должны изготавливаться из материалов с высокой магнитной проницаемостью, а для питания — с высокой индукцией насыщения.
Схема замещения. На основании изложенного можно представить схему замещения простейшего трансформатора, состоящего из двух обмоток (рис.) В режиме холостого хода по первичной обмотке протекает ток холостого хода Iх.х, определяемый током намагничивания или индуктивным сопротивлением первичной обмотки и потерями в магнитопроводе:
где Iμх.х=Нх.хlсил/ω1 — реактивная составляющая тока (ток намагничивания) холостого хода; Iах.х=Pст.х.х/U1— активная составляющая тока холостого хода; lсил — средняя длина магнитной силовой линии магнитопровода; ω1— количество витков в первичной обмотке; Pст.х.х — мощность потерь в стали магнитопровода
в режиме холостого хода; Hх.х — напряженность магнитного поля в режиме холостого хода; U1 — напряжение на первичной обмотке.
Ток намагничивания в нагруженном режиме Iμ мало отличается от Iμ х.х. Составляющую тока Iμ можно выразить через индуктивность первичной обмотки L1:
Iμх.х≈ Iμ=U1/lсил,
Можно показать, что индуктивность первичной обмотки (мкГн) определяется выражением:
L1=12.6μc ω12SСТ 10-3/ lсил
тде μc — магнитная проницаемость сердечника; SСТ — сечение стали магнитопровода, см2.
В трансформаторах согласования L1 определяет индуктивную нагрузку, которая влияет на частотную характеристику трансформатора. Как уже отмечалось, основная часть магнитного потока первичной обмотки замыкается через магнитопровод, на котором расположена вторичная обмотка, что определяет индуктивность L1 а часть рассеивается, что определяет индуктивность рассеивания LS1. В правильно сконструированном трансформаторе магнитный поток рассеивания во много раз меньше основного потока, пронизывающего обе обмотки, т. е. LS1<<L1.
В первичной обмотке трансформатора имеются потери, определяемые активным сопротивлением первичной обмотки R1 и током, протекающим по ней. Цепь первичной обмотки, состоящей из L1, LS1 и R1, показана на рис.
При подключении нагрузки Rн к вторичной обмотке (рис.) протекание тока во вторичной цепи происходит в результате поступления энергии из первичной цепи. Действие нагрузки и тока вторичной обмотки отражается в режиме первичной цепи. Это действие эквивалентно наличию в первичной цепи сопротивления R'н, которое можно определить через коэффициент трансформации n:
R'н= Rн/ n2
тде n= ω2/ ω1 (ω2, ω1 — количество витков во вторичной и первичной обмотках).
Ток, протекающий по вторичной обмотке, создает переменный магнитный поток, пронизывающий частично витки первичной обмотки. Это можно выразить индуктивностью рассеивания во вторичной цепи LS2, которая пересчитывается к первичной цепи:
L’S2= LS2/n2
Во вторичной обмотке также имеются потери, определяемые активным сопротивлением провода R2, которое удобно рассматривать как приведенное к первичной обмотке:
R’2=R2/n
Используя приведенные сопротивления и токи, наличие вторичной цепи можно отобразить цепью, параллельной индуктивности L1, как это .изображено на схеме замещения трансформатора (рис.). Во многих случаях необходимо учитывать собственную емкость Стр обмоток трансформатора. Если вторичных обмоток много, то они могут быть учтены в схеме замещения как параллельные цепи, пересчитанные к первичной цепи с соответствующими коэффициентами трансформации.
Пользуясь схемой замещения и теорией электрических цепей, можно провести анализ и расчет амплитудно- и фазочастотных характеристик трансформаторов согласования, вторичных напряжений в трансформаторах питания, искажений сигнала в импульсных трансформаторах. Параметры схемы замещения можно определить экспериментально или расчетным путем по известным конструктивным параметрам трансформатора. В схеме замещения не могут быть отображены такие параметры трансформаторов, как потери в стали магнитопровода, перегрев надежность, нелинейные искажения и т. д.
Рассматриваемая схема замещения справедлива для трансформатора, по первичной и вторичной обмоткам которого протекают синусоидальные токи и действуют синусоидальные напряжения. Она относится к импульсным трансформаторам, поскольку импульсные токи и напряжения можно разложить на гармоники, к трансформаторам согласования, а также к таким трансформаторам питания, когда в качестве нагрузки действует активное или реактивное линейное сопротивление. При применении трансформатора в ИВЭП, работающего совместна с выпрямителем, основной частью которого являются нелинейные элементы (например, диоды), а в цепях трансформатора протекают несинусоидальные токи (ц том числе постоянная составляющая), схема нуждается в дополнительных пояснениях.
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|