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=12.6μ_c ω₁²S_СТ 10^-3/ lсил

тде μ_c — магнитная проницаемость сердечника; S_СТ — 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 L_S1. В правильно сконструированном трансформаторе магнит­ный поток рассеивания во много раз меньше основного потока, пронизывающего обе обмотки, т. е. L_S1<<L₁.

В первичной обмотке трансформатора имеются потери, опре­деляемые активным сопротивлением первичной обмотки R1 и током, протекающим по ней. Цепь первичной обмотки, состоящей из L₁, L_S1 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 L_S2, которая пересчитывается к первичной цепи:

L’_S2= L_S2/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: