Сделай Сам Свою Работу на 5

ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ СООТНОШЕНИЯ И ПАРАМЕТРЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ ПИТАНИЯ





 

Соотношение между геометрическими размерами, магнитными и электрическими параметрами. В практике создания РЭА конструктору приходится проектировать трансформаторы, поэтому коротко остановимся на связи между мощностью, выдаваемой трансформатором, и размерами магнитопровода. Правильна выбранный типоразмер магнитопровода определяет оптималь­ность электрического и конструктивного расчета трансформатора.

Рассмотрим факторы, определяющие размеры магнитопрово­да трансформатора, выдающего мощность P2. Воспользуемся формулой для ЭДС (В), наведенной во вторичной обмотке:

 

E2=4,44 ω2f/Фmах 10-4,

 

 

где Фmах = BmахSст — максимальный магнитный поток; Вmах - максимальная магнитная индукция, Тл; SСТ — сечение стали магнитопровода, см2; ω2 — количество витков во вторичной обмотке; f — частота, Гц.

Перейдя от Е2 к мощности P2, выдаваемой в нагрузку, имея в виду, что ток вторичной обмотки I2 можно выразить через q2 — сечение провода, см2; γср— среднюю плотность тока в обмотке, А/см2, получим мощность (ВxА)

 

 

 

 

Считая, что КПД трансформатора близок к единице, находим, что мощность, потребляемая трансформатором из сети, близка к мощности P2.



Коэффициент заполнения по стали kз.ст, равный отношению площади сечения стали SCT к геометрической пло­щади сечения сердечника Sc, и коэффициент заполнения по меди γ з.м, равный отношению площади сечения меди SM обмо­ток к геометрической площади окна магнитопровода SOK, по­лучим мощность (ВхА)

 

 

Теперь можно определить связь между величинами, харак­теризующими размеры магнитопровода (Sc, SOK), с электри­ческими параметрами — мощностью, частотой, магнитным пара­метром (индукцией) и конструкцией трансформатора в части .величин kз.ст и kз.м:

 

 

Зная требуемую мощность P2, частоту первичной сети f, маг­нитную индукцию Bmах, которую допускает материал магнитопровода, исходя из потерь в нем при частоте f, а также допу­стимую плотность тока в обмотках γср, исходя из потерь в обмот­ках, и коэффициенты kз.м и kз.ст, определяемые конструкцией и известные из опыта, можно вычислить произведение SCS0K. Поскольку размеры магнитопровода стандартизованы, т. е. из­вестны, то по произведению SCSOK можно выбрать необходимый для данной мощности P2 типоразмер магнитопровода.



В инженерной практике пользуются методикой выбора типоразмера магнитопровода по выходной мощности Р2, указанной в таблицах, которые составлены на основании предвари­тельных расчетов всех параметров, входящих в формулы (приме­нительно к разным материалам магнитопровода и частоте f). Таблицы учитывают проверенный на практике наиболее целе­сообразный режим по индукции и по плотности тока. Опыт показывает, что выбор типоразмера носит ориентировочный ха­рактер. Только полный расчет трансформатора позволяет при­нять окончательное решение о правильности выбора типораз­мера магнитопровода.

Из ф. следует, что при заданной мощности для умень­шения размеров трансформатора необходимо увеличивать индукцию насыщения (Вmах), что связано с увеличением потерь в магнитопроводе, либо увеличивать плотность тока γср, а это означает увеличение потерь в проводах обмоток. То и другое вы­зывает увеличение мощности, рассеиваемой в трансформаторе, т. е. увеличение перегрева, а следовательно, ухудшение надеж­ности.

Из ф. видно, что значительное повышение выходной мощ­ности трансформатора при заданных габаритах может быть связано с увеличением частоты, но для трансформатора, рабо­тающего непосредственно от сети, этим параметром варьировать невозможно, так как частота задается. В этом смысле особо невыгодный случай имеет место при частоте сети 50 Гц, которая является наиболее распространенной, поскольку широко исполь­зуется для наземных передатчиков, ЭВМ, бытовой РЭА, прием­ных центров и т. д. При конструировании трансформаторов для бортовой аппаратуры условия для уменьшения габаритов облег­чаются, так как в этом случае частота сети равна 400 или 1000 Гц.



Габаритная мощность трансформатора в ИВЭП, работающем по однополупериодной схеме выпрямления. Напомним, что основ­ным вопросом, который нужно решать при конструировании трансформатора, является выбор магнитопровода исходя из вы­ходной мощности, выдаваемой вторичной обмоткой в нагрузку. Для трансформатора, работающего в составе ИВЭП, эта мощ­ность зависит от схемы выпрямителя и от мощности, выдавае­мой выпрямителем. В связи со сложным характером токов и напряжений, действующих в выпрямителе, включая транс­форматор, определение формул, позволяющих найти мощность, на которую должен быть рассчитан трансформатор, нуждается в пояснениях.

Теперь рассмотрим режим работы трансформатора в однополупериодном выпрямителе. Для получения основных закономерно­стей, характеризующих напряжения и токи, действующие в схеме ИВЭП и в трансформаторе, будем полагать, что трансформатор идеален; потери в стали и меди незначительны. Будем также счи­тать, что включенный в схему диод тоже идеален — в одном на­правлении его сопротивление равно бесконечности, в другом — нулю. Полагаем, что нагрузкой выпрямителя является активное линейное сопротивление. Реально нагрузка носит индуктивный или емкостный характер из-за сглаживающих фильтров, имеются потери в трансформаторе и диод обладает конечным сопротивле­нием в открытом и закрытом состояниях.

Для однополупериодной схемы выпрямителя зависимости на­пряжения и тока от времени приведены на рис., где а —упро­щенная схема выпрямителя; б — зависимость напряжения на первичной обмотке U1(t); в — зависимость напряжения на вто­ричной обмотке U2(t), г — зависимость тока i2(t) протекающего по вторичной обмотке; I2mах — максимальное значение, Iо — его среднее значение (постоянный ток), i2 (t)—переменная составляющая тока вторичной обмотки; д — зависимость напряжения на активной нагрузке UR(t): URmax— максимальное напряжение на нагрузке (при идеальном диоде URmax равно максимальному напряжению на вторичной обмотке U2max, UR0 — среднее значе­ние напряжения (постоянное напряжение); i1—зависимость пе­ременного тока в первичной обмотке i1(t); i1.1гap(t)—первая гармоника тока первичной обмотки, I1.1гарmax — его максимальное значение.

Найдем постоянную составляющую напряжения на нагруз­ке, пользуясь известным выражением для среднего значения:

 

 

Аналогично постоянная составляющая тока, протекающего по нагрузке,

/о=/2тах/я. (9.12)

Мощность, расходуемая на нагрузке,

^0=/о£/*0=£/*тах/2тах/Я2. (9.13)

Эффективное значение суммарного тока, протекающего по вторичной обмотке, /2

 

Эффективное значение переменной составляющей тока, про­текающего по вторичной обмотке, может быть определено

Выразив /2 и /о через /2тах, получим

Воспользовавшись (9.12), найдем

/2_=/оО,4л= 1,25/о. (9.17)

Будем считать, что коэффициент трансформации равен еди­нице, так как он не влияет на значение мощности. Тогда макси­мальные напряжения на первичной и вторичной обмотках будут равны:

£Amax=£/2max- (9.18)

Очевидно, что мощность, потребляемая от сети первичной обмоткой, может быть получена как произведение эффективного значения синусоидального напряжения, действующего в сети, на эффективное значение тока первой гармоники, протекающего по первичной обмотке. Эффективное значение тока первой гармоники во второй обмотке будет меньше эффективного значения сум­марного переменного тока, протекающего по этой обмотке. Это объясняется тем, что в связи с наличием диодов переменный ток вторичной обмотки содержит гармоники.

Известно, что для однополупериодного выпрямителя во вто­ричной и первичной обмотках трансформатора эффективное зна? чение тока первой гармоники

Тогда мощность, потребляемая первичной обмоткой от сети, бу­дет равна (если пренебречь потерями в трансформаторе)

где £/ь t/2— действующее значение переменного напряжения на первичной и вторичной обмотках соответственно. Из (9.19) и (9.20) находим

Отсюда ^0=0,38^1, где &*о—мощность (на постоянном токе), вы­даваемая ИВЭП в нагрузку.

Следовательно, 38 % потребляемой мощности выделяется на нагрузке при постоянном токе и является полезным результатом работы ИВЭП, а 60% расходуется при прохождении переменного тока. Таким образом мощность, выделяемая на нагрузке, состоит из мощности переменного и постоянного токов, а мощность, по­требляемая первичной обмоткой, может быть только переменного тока на частоте сети.

Вопрос о мощности, которая «проходит» через трансформатор и определяет потери в стали магнитопровода и меди обмоток, а следовательно, нагрев и габариты трансформатора при работе в ИВЭП, оказывается сложным. Чтобы учесть сложный характер то­ков, протекающих во вторичной обмотке, было предложено для оценки факторов, определяющих габариты, использовать совмест­но как мощность 9^ так и произведение С/2/2 — действующего зна* чения гармонического синусоидального напряжения на вторичной обмотке (но не на нагрузке) на действующее значение тока, про­текающего по вторичной обмотке.

В качестве обоснования целесообразности использования упо­мянутого произведения для оценки габаритов трансформатора мо­жет быть принято следующее. Считают, что напряжение на вто­ричной обмотке влияет на потери в магнитопроводе, а действую­щее значение тока, протекающего по вторичной обмотке, влияет на потери в обмотках. Определим произведение 1/2/2- Пользуясь (9.14), получим

Выразим произведение £/2/2 через мощность на постоянном то­ке ^о, выдаваемую ИВЭП в нагрузку, пользуясь (9.11) и (9.14):

Из сравнения (9.21) и (9.23) видно, что соотношения между вели­чинами ^о и &\\ 3*$ и £/2/2 различаются. Поэтому целесообразно в качестве мощности, определяющей габариты трансформатора

.(габаритной мощности трансформатора ^г), рассматривать сред­нее значение мощности 3*\ и произведение f/2/2*

Определив мощность #г, по таблицам [61] можно выбрать ти­поразмер магнитопровода. Таким образом, из-за того что в одно-полупериодном выпрямителе постоянная составляющая мощности имеет относительно небольшую величину, мощность, определяющая размеры трансформатора, оказывается много больше мощности, от­даваемой ИВЭП в нагрузку.

Большое влияние на габариты трансформатора оказывает фильтр. Действительно, если на входе фильтра стоит конденсатор, ю переменный ток, протекающий по вторичной обмотке, много» больше указанного выше (9.14) и полученного в предположении,, что он протекает по активной нагрузке. Поэтому габаритная мощ­ность при той же мощности £Р0» отдаваемой в нагрузку, будет су­щественно больше. Если на входе фильтра выпрямителя стоит дроссель, то переменный ток, протекающий по вторичной обмот­ке, будет меньше и габариты трансформатора тоже могут быть меньше.

Габаритная мощность трансформатора в ИВЭП, работающего по двухполупериодной и мостовой схемам. Не излагая подробно вопросы, касающиеся определения токов и напряжений, действу­ющих в первичной и вторичной обмотках, основываясь на методи­ке, изложенной выше, приведем выражение для расчета габарит­ной мощности в окончательном виде.

При использовании двухполупериодного выпрямителя габарит­ная мощность

Как и следовало ожидать, благодаря двухполупериодному ре жиму работы выпрямителя переменная составляющая тока ве втс ричной обмотке при той же полезной отдаваемой мощности буде много меньше, чем в однополупериодном выпрямителе. Поэтом соотношение между мощностями ^0 и 3>\ в этом случае более вы годное, так как

Следовательно, только 20% мощности бесполезно расходуется на протекание переменных токов во вторичной цепи. При использовании мостовой схемы выпрямления

В этом случае во вторичной обмотке протекает только пере­менный ток, что и определяет равенство мощностей &\ и f/2/2. Со­отношение между мощностями в этом случае получается лучше, чем при двухполупериодной схеме. Мощности, определяемые пере­менной составляющей тока, протекающей по вторичной и, следо­вательно, по первичной обмотке при мостовой и двухполупериод­ной схемам одинаковые. Произведение /2£/2 больше в случае двух­полупериодной схемы, так как по половинкам вторичной обмотки протекают постоянные токи.

Полученные выражения позволяют определить габаритную мощность трансформатора и выбрать типоразмер магнитопровода при разных схемах выпрямления и затем провести конструктивный и электрический расчет трансформатора [61]. Для этого следует, зная заданные значения U\9 £/0 и ^0> определить С/2 и /2. В резуль­тате конструктивного и электрического расчета трансформатора может оказаться, что потери в магнитопроводе и обмотках при заданной выходной мощности приводят к недопустимому перегре­ву, ухудшающему надежность. Увеличение температуры перегрева на 8°С снижает срок службы трансформатора в 2 раза. Такой случай может быть при усредненных магнитных и электрических параметрах (9.10), на основании которых выбирается типоразмер магнитопровода и которые имеют ориентировочные значения.

9.4. ТРАНСФОРМАТОРЫ ПИТАНИЯ

ДЛЯ СТАТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Статические преобразователи. Одновременно с возрастанием требований к ИВЭП по габаритам, массе, надежности возросли также требования к разнообразию первичных питающих напря­жений, в том числе получаемых от источников постоянного тока. Поэтому в настоящее время стали широко использоваться стати­ческие преобразователи [62].

Различают три разновидности таких устройств питания: преоб­разователи одного постоянного напряжения в другое постоянное напряжение; преобразователи постоянного напряжения в перемен­ное напряжение разного уровня; преобразователи переменного то­ка низкой частоты в постоянный ток.

Такие устройства питания часто называют бестрансформатор­ными. Однако это название не совсем точное, так как в них исполь­зуется трансформатор, работающий на высоких частотах совмест­но с транзисторным генератором. Более правильно эти устройства называть источниками питания с бестрансформаторным входом. В этих источниках питания напряжение постоянного тока получа­ется с помощью выпрямителя, подключенного к сети переменного тока. Необходимая трансформация напряжений переменного тока осуществляется не на частоте первичной сети, а на значительно более высокой, которая определяется внутренним генератором пе­ременного тока, получающего питание от выпрямленного напря­жения сети.

Основной частью всех указан­ных выше ИВЭП является стати­ческий преобразователь постоян­ного тока в переменный, простей­шая схема которого показана на рис. 9.3. Схемы преобразователей типа напряжение постоянного то­ка в напряжение постоянного тока другого номинала отлича­ются от приведенной только тем, что выходное переменное напря­жение подается на выпрямитель­ное и фильтрующее устройства. Схемы источников питания с бес­трансформаторным входом отли­чаются от схемы рис. 9.3 тем, что

на входе стоит выпрямитель, работающий непосредственно от сети, выпрямленное напряжение которого подается на вход схемы. На рисунке 1/п—напряжение источника постоянного тока, куб, шк и WH — обмотки базы, коллектора и нагрузки; VT1 и VT2 — транзи­сторы; RH — сопротивление нагрузки.

Наличие индуктивной связи между обмотками о/к, ш'б, w"K, w"& и использование транзисторов VT1 и VT2, работающих в ключе­вом режиме, позволяет в устройстве, собранном по такой схеме, генерировать переменное напряжение. Таким образом, такое устройство преобразует мощность источника постоянного напря­жения I/п в мощность на переменном токе. Индуктивная связь об­мотки шн с обмотками w$ и WK позволяет передать эту мощность в нагрузку /?н.

Проектирование статических преобразователей и устройств пи­тания с бестрансформаторным входом не входит в нашу задачу, остановимся только на тех особенностях, которые определяют тре­бования к трансформаторам. Как видно из рис. 9.3, в таких устрой­ствах используется трансформатор, но он может работать на более высоких частотах (до сотен килогерц), которые определяются не источником питания, а режимом генератора. При этом в устройстве необходимо использовать мощные транзисторы, позволяющие ге­нерировать колебания с мощностью, достаточной для питания, на­пример, телевизора. На таких частотах обычная трансформаторная: сталь не может использоваться из-за очень больших потерь и силь­но выраженного поверхностного эффекта. Для магнитопроводов трансформаторов такого типа могут применяться ленты малой толщины (сотые доли миллиметра) из пермаллоя. Однако более перспективным материалом является феррит.

Влияние частоты на габариты трансформатора. Рассмотрим причины, по которым повышение частоты позволяет уменьшить габариты и массу трансформатора. Положим, что магнитопровод;. использованный в нем, может работать на высоких частотах с ма­лыми потерями. Воспользуемся приведенным выше основным урав-

нением трансформатора (9.10). Поскольку величины £max, *з.сх, &з.м определяются конструкцией и материалами и в равной степени относятся к трансформаторам, работающим на разных частотах, учтем их коэффициентом k\. Тогда

Так как произведение SCSOK определяет размеры трансформа­тора и, следовательно, его массу, то, имея в виду, что масса про­порциональна объему, а произведение SCSOK имеет размерность [см4], можно положить, что масса

где &2 — коэффициент пропорциональности. Подставив (9.30) в (9.31), получим

Следовательно, для получения той же мощности трансформа­тора при малой зависимости коэффициентов k\ и k^ от частоты получим

Таким образом, при прочих равных условиях и увеличении ча­стоты, например, от 50 Гц до 25 кГц масса трансформатора может уменьшиться примерно в 300 раз:

где GTPO — масса трансформатора на частоте /о-

На практике из-за меньшего уровня индукции в материале маг-нитопровода при работе на высокой частоте выигрыш по массе получается меньше. Изложенное подтверждается известными ре­комендациями [59] по соотношению между мощностью, которая может быть получена с трансформатора на кольцевых ферритовых магнитопроводах, и частотой. В табл. 9.1 приведены значения мощ­ностей (Вт) для нескольких характерных типоразмеров магнитопроводов.

 

Магнитопровод Частота, кГц
К4Х2, 5X1,2 0,05 0,07 0,089 0,13 0,17 0,205
К 20ХЮХ5 20,3 26,8 47,8 60,6
К 45X28X12 792^
 

Сказанное опреде­ляет целесообр азность отказа в РЭА от ИВЭП, использующих трансформаторы на ча­стотах 50 или 400 ... ... 1000 Гц, и перспек­тивность перехода на

так называемое питание с бестрансформаторным входом и на статические преобразователи. Но при этом надо иметь в виду, что для магнитопроводов следует использовать материалы (на­пример, ферриты), обеспечивающие малые потери на частоте работы трансформатора.

Особенности режима статических преобразователей. Взаимо­связь габаритов и мощности для трансформаторов, используемых в статических преобразователях и источниках питания с бестранс­форматорным входом, имеет существенные особенности по срав­нению с трансформаторами в обычных выпрямителях. Определя­ется это особенностями режима трансформаторов в таких устрой­ствах. Изменения токов и напряжений, действующих в схеме рис. 9.3, показаны на рис. 9.4, где 1К\ — ток коллектора транзи­стора VT1\ /к2 — ток коллектора транзистора VT2\ i0 — намагни­чивающий ток (аналогичный вид имеет изменение намагничи­вающего потока Ф); f/H — напряжение на нагрузке. На рисунке также показаны длительности импульсов THI и тИ2 и период ко­лебаний Т. Изображенный на рис. 9.4 характер токов и напря­жений, действующих в трансформаторах, определяется тем, что транзисторы работают в ключевом режиме, который при тех же максимальных уровнях токов и напряжений, допустимых для транзисторов, позволяет получить существенно большие генери-

руемые мощности. Целесообразность ключевого режима работы транзисторов приводит к принципиальному- отличию трансформа­торов для статических преобразователей от трансформаторов в обычных выпрямителях. Требуемый ключевой режим транзисто­ров может быть получен двумя путями: достижением предельно­го коллекторного тока транзистора; использованием магнитопро­водов из материала с прямоугольной характеристикой намагни­чивания.

Магнитопроводы с прямоугольной характеристикой намагни­чивания в основном применяются для трансформаторов в стати­ческих преобразователях, так как они позволяют повысить КПД лреобразователей. На рис. 9.5 показана функция намагничивания такого магнитопровода, где Внас — индукция насыщения; Я0, |(—Я0)—напряженность поля при индукции, равной нулю. Зная напряженность поля при индукции, близкой к насыщению, можно найти ток намагничивания 1^:

/ц=Яс/сил/(0,4яшк), (9.36)

где /сил — средняя длина магнитной силовой линии; WK — число витков в коллекторной цепи.

Период выходного напряжения преобразователя

Т0=4ФнасШк/^п, (9.37)

где Un — напряжение источника питания; ФНаС — поток насыще­ния (Фнас=5нас5с). Таким образом, при проектировании генера­тора для обеспечения его работы на заданной частоте необходи­мо выбрать число витков трансформатора WK и найти значение лотока Фнас, определяемого материалом и размерами магнито-лровода, которые, в свою очередь, зависят от требуемой мощно-ности, допустимых потерь и рабочей частоты. При этом необходи­мо знать напряжение f/n, соответствующее входному напряжению, которое должно подвергаться преобразованию. Для устройств литания с бестрансформаторным входом напряжение £/п равно напряжению, выдаваемому выпрямителем, включенным непосред­ственно в сеть. Методика расчета трансформаторов для статиче­ских преобразователей дана в (62).

9.5. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ТРАНСФОРМАТОРОВ ПИТАНИЯ

Магнитопроводы трансформаторов. Основой конструкции трансформатора является магнитопровод. Он состоит из стержня (или нескольких стержней) и ярма, представляющих вместе замкнутую систему для прохождения магнитных силовых линий. Магнитопроводы, имеющие три и более стержней одинакового сечения, называются трехфазными, а имеющие два стержня одинакового сече­ния — однофазными. Однофазные Магнитопроводы с разветвленной магнитной цепью называются броневыми; Магнитопроводы с одной магнитной цепью по­стоянного сечения — стержневыми; Магнитопроводы кольцеобразной формы — тороидальными (рис. 9.6).

В настоящее время широкое распространение получили ленточные (витые) Магнитопроводы, обладающие хорошими магнитными свойствами. Увеличение допустимой магнитной индукции в них определяется совпадением направления магнитных силовых линий в магнитопроводе с направлением проката в мате­риале. Кроме того, в них можно использовать очень тонкие ленты толщиной до 0,01 мм. Ленточные разрезные Магнитопроводы в настоящее время нормали­зованы.

В РЭА на интегральных схемах используют плоские броневые трансформа­торы (рис. 9.7): / — пластины магнитопровода; 2 — обмотка). Магнитопровод для такого трансформатора набирают из отрезков ленты (пластин) из магнито-мягкого материала, которые складывают «стопкой» и посередине изолируют и скрепляют. На изолированный участок наматывают обмотки, сверху которых на­кладывают изоляцию. После этого концы лент магнитопровода поочередно отги­бают и укладывают сверху обмотки (половину листов отгибают в одну сторону, половину в другую). Концы лент перекрывают для уменьшения влияния зазора! Такой трансформатор может быть сделан высотой до 2 ... 3 мм. Основными требованиями к магнитному материалу, применяемому для магнитопроводов трансформаторов питания, являются высокая индукция насыщения и малые потери.

Для трансформаторов, питающихся напряжением с частотой сети 50 Гц, в качестве магнитного материала магнитопроводов можно рекомендовать сталь марок Э3411 и Э3420 с толщиной ленты 0,35 ... 0,5 мм; для трансформаторов,

9.8. ОСОБЕННОСТИ ИМПУЛЬСНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Особенности режима работы импульсных трансформаторов.

Импульсные трансформаторы предназначены для передачи ко­ротких импульсов напряжения заданной формы. Они широко применяются в радиолокационной и телевизионной аппаратуре и в импульсной радиосвязи. С их помощью осуществляются повышение и понижение напряжения импульсов, изменение по­лярности и т. д. Импульсные трансформаторы должны возможно меньше искажать форму трансформируемых импульсов напря­жения. Искажение формы обусловлено сложными переходными процессами, так как трансформатор имеет паразитную емкость и индуктивность.

Прямоугольный импульс можно разложить в ряд Фурье. Для того чтобы передать широкий спектр частот с наименьшими искажениями, необходимо иметь широкополосный трансформатор. По форме частотной характеристики трансформатора можно су­дить об искажении импульса. Однако при расчете импульсных трансформаторов удобнее непосредственно связывать изменение параметров трансформатора с искажениями формы импульса. Эти искажения могут характеризоваться временем нарастания фронта Тф и выбросом паузы (спадом плоской части импульса). Выброс паузы зависит от индуктивности первичной обмотки и, следовательно, определяется частотной характеристикой транс­форматора в области низких частот. Время нарастания фронта Яф зависит от вида частотной характеристики трансформатора в области высших частот, которая определяется индуктивностью рассеяния и емкостью.

Искажения импульсного сигнала. Для того чтобы найти зави­симость искажений импульсного сигнала от параметров транс­форматора, рассмотрим процессы в трансформаторе с помощью схемы замещения на низких и высоких частотах. Пренебрегая андуктивностями рассеяния и емкостью, схему замещения для низких частот (рис. 9.1) можно представить в виде схемы, у ко­торой в цепи, состоящей из RS.H и LI, действует ЭДС еэ, опреде­ляемая из выражения

где Ri — внутреннее сопротивление источника напряжения; е — мгновенное значение ЭДС, действующей в цепи.

Дифференциальное уравнение такой цепи имеет вид

Решение уравнения (9.47) при подаче в цепь скачка напряжения имеет вид

Напряжение на индуктивности в момент включения импульса

Напряжение на индуктивности в момент окончания импульса

При возрастании длительности импульса напряжение UL к моменту его окончания стремится к нулю. Поэтому плоская часть импульса спадает. Крутизна спада определяется постоян­ной времени цепи Li/R3.R. Для уменьшения спада импульса при заданных RH и /?,, которые в основном определяют значение /?э.н, необходимо увеличивать индуктивность первичной обмотки.

Из (9.52) следует, что

характеризует относительный спад напряжения на индуктивности LI или на сопротивлении R'2+R'u в конце импульса. Пользуясь (9.53), находим Ь\ при заданных ^З.н, ти и А.

Из схемы замещения рис. 9.1 для высоких частот, пренебрегая влиянием LI, получаем цепь, состоящую из индуктивности рас­сеяния Ls и активного сопротивления

Дифференциальное уравнение для такой цепи имеет вид:

Под действием скачка напряжения e(t) получим

После окончания переходного процесса

В относительных единицах

или

При этом время достижения значения UH(t)

Обычно в качестве характеристики времени нарастания им­пульса берут время, в течение которого UH(t) меняется oi ((/н1(^)=10Д до (УН2(*2) =0,9. Это время будем обозначать Тф, Тогда Тф=/2—1\ и

Таким образом, чем быстрее должен нарастать импульс, т. е. чем меньше Тф, тем меньше допустимая индуктивность рассеи­вания. Дополнительные искажения фронта импульса вызываются действием собственной емкости трансформатора Стр.

При жестких требованиях к форме импульса, т. е. когда -Гф<Сти, конструирование импульсных трансформаторов вызы­вает много трудностей из-за противоречивости требований уве­личения LI и уменьшения Ls и Стр. Методика расчета импульс­ных трансформаторов по заданным параметрам предусматривает шыбор типоразмера сердечника, определение числа витков, диа­метра провода и т. д.

Особенности конструкций импульсных трансформаторов. После -того как трансформатор спроектирован, необходимо произвести вероятностно-статистический анализ его параметров, пользуясь методикой, изложенной в § 9.6, и дать оценку допустимости от­клонений, а также подобрать допуски на элементы конструкции. В связи с возможными отклонениями параметров может возник­нуть необходимость корректировки конструкции трансформа­торов.

Требования, предъявляемые к импульсному трансформатору, существенно отличаются от тех, которые предъявляются, на­пример, к трансформаторам согласования, работающим в обла­сти звуковых частот. Это приводит к тому, что конструкции импульсных трансформаторов специфичны. Основной особенно­стью конструкции импульсных трансформаторов является необ­ходимость использования сердечников с высокой магнитной про­ницаемостью для обеспечения работы в широком диапазоне ча­стот (1 ... 20 МГц) [63].

Наиболее часто импульсные трансформаторы используют при длительности импульсов 0,2 ... 100 мкс с длительностью фронта 0,01 ... 0,2 мкс. При длительности фронта 0,01 мкс спектр импульса охватывает область частот до 100 МГц. При больших длительностях фронта он соответственно сужается. Поэтому для импульсных трансформаторов используют сердечники то­роидальной формы, изготовленные из тонких сортов электротех­нических сталей и сплавов (толщиной ленты 0,1 ... 0,01 мм в зависимости от длительности импульса) или ферритов. Для уменьшения индуктивности рассеивания намотку провода осу­ществляют с малым количеством слоев или применяют другие конструктивные методы, например параллельную намотку пер­вичной и вторичной обмоток. Для уменьшения емкости обмотки разделяются на секции. Для повышения влагостойкости транс­форматоры пропитывают компаундом и дополнительно гермети­зируют с помощью обволакивания или заливки.

В связи с широким применением импульсных трансформато­ров в РЭА они нормализованы и наиболее часто используемые

варианты выпускаются специализированными предприятиями. Разработаны и выпускаются импульсные трансформаторы и блоки импульсных трансформаторов, приспособленных для ис­пользования в аппаратуре с печатным монтажом и в аппаратуре на ИС. В качестве примера приведем конструкции многообмо­точных импульсных трансформаторов ТИМ и блоков трансфор­маторов БТИ. На рис. 9.28 дан чертеж внешнего вида транс­форматоров с указанием размеров. Эти трансформаторы предназначены для работы в конструкциях печатных плат: раз­работано 11 типономиналов, отличающихся по длительности им­пульсов и количеству обмоток. На рис. 9.29 показан внешний вид блоков трансформаторов типа БТИ. Они выпускаются в пяти конструктивных вариантах: БТИ1, БТИ2, БТИЗ, БТИ4 с планарными, а БТИ5 со штырьковыми выводами.

Трансформаторы типа ТИ работают в импульсном режиме с импульсами длительности от 0,5 до 100 мкс и амплитудой 50 В, типа ТИМ — с импульсами длительностью 0,2... 100 мкс и ам­плитудой до 30 В. В зависимости от требуемой длительности им­пульса трансформаторы подразделяются на группы, каждая из которых содержит трансформаторы с различными числом обмо­ток н коэффициентом трансформации.

Трансформаторы типов ТИ и ТИМ унифицированы и конструк­ции их составляют ряд, в который входят 350 типоразмеров ТИ и 252 типоразмера ТИМ [63].

Причины отказов импульсных трансформаторов отличаются от тех, которые характерны для трансформаторов питания и согла­сования. Они работают в импульсном режиме с малой средней мощностью, т. е. с относительно небольшим перегревом, но в них действуют большие импульсные механические напряжения, при­водящие к отказу. Значения ^-характеристик импульсных транс­форматоров примерно составляют (0,03... 0,24) • 10~6.

 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.