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.
|