Согласующие трансформаторы

Трансформаторы применяются в различных усилительных и измерительных устройствах для согласования электрических сигналов. По месту расположения в схеме трансформаторы согласования делятся на входные, межкаскадные и выходные.

Входными называют трансформаторы, включаемые между источником сигнала и входом электронного устройства.

Межкаскадными называют трансформаторы, включаемые между выходной цепью предыдущего и входной цепью последующего каскадов электронного устройства.

Выходными называют трансформаторы, включаемые между выходной цепью электронного устройства и нагрузкой.

Основными параметрами согласующих трансформаторов являются:

- индуктивность первичной обмотки (L₁);

- индуктивность рассеяния (L_s1, L_s2);

- активное сопротивление обмоток (r₁, r₂);

- собственная емкость (C_тр);

- коэффициент трансформации;

- постоянная времени трансформатора (τ_тр);

- критическая мощность;

- коэффициент полезного действия;

- уровень нелинейных искажений.

Большинство этих параметров определяется в процессе расчета устройства, в котором предполагается использовать трансформатор, остальные задают перед расчетом и уточняют после его выполнения.

На рисунке представлена эквивалентная схема замещения трансформатора согласования

 

 

 

Отношение на частном цикле перемагничивания называется импульсной магнитной проницаемостью. Импульсная магнитная проницаемость меньше магнитной проницаемости материала магнитопровода .

Влияние вихревых токов. Изменение индуктивности происходит с большой скоростью, что вызывает сильные вихревые токи. Контуры, по которым протекают вихревые токи, обладают активным сопротивлением потерь и индуктивностью . В эквивалентной схеме импульсного трансформатора влияние вихревых токов учитывается включением параллельно индуктивности первичной обмотки цепи из последовательно соединенных и . Отношение называется вихревой постоянной магнитопровода, которая зависит от толщины листа, физических свойств материала магнитопровода и определяется формулой

где - толщина листа магнитопровода, м; - удельное сопротивление, Ом×м.

Вихревой ток в цепи - нарастает приблизительно по экспоненциальному закону .

Для упрощения параллельное соединение индуктивностей и заменяют одной индуктивностью , которую называют кажущейся. По кажущейся индуктивности первичной обмотки протекает ток , который называется кажущимся током намагничивания. Кажущаяся индуктивность первичной обмотки меньше индуктивности первичной обмотки, что эквивалентно уменьшению магнитной проницаемости магнитопровода. Поэтому в импульсных трансформаторах вводится понятие кажущейся магнитной проницаемости . Кажущаяся магнитная проницаемость зависит от длительности импульсов, толщины листов и удельного сопротивления магнитного материала. Для незначительного уменьшения кажущейся магнитной проницаемости необходимо, чтобы . На рисунке приведен график зависимости от отношения .

 

Возникновение вихревых токов приводит также к магнитному поверхностному эффекту – увеличению индукции на поверхности листа и уменьшению ее в центре. Вследствие поверхностного эффекта внутренняя часть листов используется плохо. Поэтому толщину материала магнитопровода в импульсных трансформаторах целесообразно выбирать минимальной. Минимальная толщина ограничивается стоимостью и технологией изготовления магнитопровода.

Искажение трансформируемого импульса проявляется в увеличении времени его нарастания, замедлении спада импульса, снижении вершины и возникновении затухающих колебаний (рис. 4.28). Формирование выходного импульса определяется параметрами трансформатора.

Формирование переднего фронта импульса

Формирование переднего фронта импульса определяется параметрами импульсного трансформатора. Для представленной на рис. 4.29 (а) схемы замещения импульсного трансформатора

e_и - э.д.с. входного сигнала;

R_и - активное сопротивление источника импульсного напряжения;

С₁ - суммарная емкость первичной обмотки и источника импульсного напряжения;

r₁ - активное сопротивление первичной обмотки;

L_S - индуктивность рассеяния обмоток;

L₁ - индуктивность намагничивания;

С’₂ – суммарная емкость вторичной обмотки приведенная к первичной;

r’₂ - активное сопротивление вторичной обмотки, приведенное к первичной;

R’_нагр - активное сопротивление нагрузки, приведенное к первичной.

 

 

При L₁>> L_S и С’₂ >> С₁ можно перейти к упрощенной схеме 4.29 (б), в которой , а , где - сопротивление, характеризующее потери на вихревые токи.

Характер переходного процесса в трансформаторе определяется величиной параметра

; где , а характеристическое

сопротивление трансформатора

При переходный процесс в ИТ имеет апериодический характер и выходное напряжение нарастает монотонно.

При переходный процесс в ИТ имеет колебательный характер и на вершине появляются затухающие колебания.

При малых значениях резко увеличивается выброс на вершине импульса. Оптимальным считается близкое к 0,7. При этом амплитуда выброса составляет около 4% установившегося значения, а длительность переднего фронта импульса

Следовательно, для получения короткого импульса переднего фронта выходного импульса необходимо иметь малое значение произведения (обычно задано). Требуемую форму переднего фронта импульса можно получить при рационально выбранной величине , определяющей значение .

Спад импульса.

Искажения спада импульса определяются величинами , , . Когда напряжение входного импульса уменьшится до нуля, в индуктивности запасается некоторое количество энергии, которое затем передается и , что вызывает задержку в достижении импульсом нулевой величины. В течение этого времени конденсатор заряжается, а затем разряжается через и , вызывая изменение полярности напряжения. При малых активных потерях в цепи возникают затухающие колебания.