Различные типы трансформаторного оборудования применяются в электронных и электротехнических схемах, которые востребованы во многих сферах хозяйственной деятельности. Например, импульсные трансформаторы (далее по тексту ИТ) – важный элемент, устанавливаемый практически во всех современных блоках питания.
Конструкция (виды) импульсных трансформаторов
В зависимости от формы сердечника и размещения на нем катушек, ИТ выпускаются в следующих конструктивных исполнениях:
- стержневом;
- броневом;
- тороидальном (не имеет катушек, провод наматывается на изолированный сердечник);
- бронестержневом;
На рисунках обозначены:
- A – магнитопроводный контур, выполненный из марок трансформаторной стали, изготовленной по технологии холодного или горячего металлопроката (за исключением сердечника тороидальной формы, он изготавливается из феррита);
- В – катушка из изолирующего материала
- С – провода, создающие индуктивную связь.
Заметим, что электротехническая сталь содержит мало добавок кремния, поскольку он становится причиной потери мощности от воздействия вихревых токов на контур магнитопровода. В ИТ тороидального исполнения сердечник может производится из рулонной или ферримагнитной стали.
Пластины для набора электромагнитного сердечника подбираются толщиной в зависимости от частоты. С увеличением этого параметра необходимо устанавливать пластины меньшей толщины.
Принцип работы
Основная особенность трансформаторов импульсного типа (далее ИТ) заключается в том, что на них подаются однополярные импульсы с постоянной токовой составляющей, в связи с чем магнитопровод находится в состоянии постоянного подмагничивания. Ниже показана принципиальная схема подключения такого устройства.
Схема: подключение импульсного трансформатора
Как видите, схема подключения практически идентична с обычными трансформаторами, чего не скажешь о временной диаграмме.
На первичную обмотку поступают импульсные сигналы, имеющие прямоугольную форму е (t) , временной интервал между которыми довольно короткий. Это вызывает возрастание индуктивности во время интервала t u , после чего наблюдается ее спад в интервале (Т-t u).
Перепады индукции происходят со скоростью, которую можно выразить через постоянную времени по формуле: τ p =L 0 /R н
Коэффициент, описывающий разность индуктивного перепада, определяется следующим образом: ∆В=В max – В r
- В max – уровень максимального значения индукции;
- В r –остаточный.
Более наглядно разность индукций представлена на рисунке, отображающем смещение рабочей точки в магнитопроводном контуре ИТ.
Как видно на временной диаграмме, вторичная катушка имеет уровень напряжения U 2 , в котором присутствуют обратные выбросы. Так проявляет себя накопленная в магнитопроводе энергия, которая зависит от намагничивания (параметр i u).
Импульсы тока проходящего через первичную катушку, отличаются трапецеидальной формой, поскольку токи нагрузки и линейные (вызванные намагничиванием сердечника) совмещаются.
Уровень напряжения в диапазоне от 0 до t u остается неизменным, его значение е t =U m . Что касается напряжения на вторичной катушке, то его можно вычислить, воспользовавшись формулой:
при этом:
- Ψ – параметр потокосцепления;
- S – величина, отображающая сечение магнитопроводного сердечника.
Учитывая, что производная, характеризующая изменения тока, проходящего через первичную катушку, является постоянной величиной, нарастание уровня индукции в магнитопроводе происходит линейно. Исходя из этого, допустимо вместо производной внести разность показателей, сделанных через определенный интервал времени, что позволяет внести изменения в формулу:
в этом случае ∆t будет отождествляться с параметром t u , который характеризует длительность, с которой протекает входной импульс напряжения.
Чтобы вычислить площадь импульса, с которым напряжение образуется во вторичной обмотке ИТ, необходимо обе части предыдущей формулы умножить на t u . В результате мы придем к выражению, которое позволяет получить основной параметр ИТ:
U m x t u =S x W 1 x ∆В
Заметим, что от параметра ∆В прямо пропорционально зависит величина площади импульса.
Вторая по значимости величина, характеризующая работу ИТ, – перепад индукции, на него влияют такие параметры, как сечение и магнитная проницаемость сердечника магнитопровода, а также числа витков на катушке:
Здесь:
- L 0 – перепад индукции;
- µ а – магнитная проницаемость сердечника;
- W 1 – число витков первичной обмотки;
- S – площадь сечения сердечника;
- l cр – длинна (периметр) сердечника (магнитопровода)
- В r – величина остаточной индукции;
- В max – уровень максимального значения индукции.
- H m – Напряженность магнитного поля (максимальная).
Учитывая, что параметр индуктивности ИТ полностью зависит от магнитной проницаемости сердечника, при расчета необходимо исходить из максимального значения µ а, которое показывает кривая намагничивания. Соответственно, что у материала, из которого делается сердечник, уровень параметра В r , отображающий остаточную индукцию, должен быть минимальным.
Видео: подробное описание принципа работы импульсного трансформатора
Исходя из этого, в качестве на роль материала сердечника ИТ, идеально подходит лента, изготовленная из трансформаторной стали. Также можно применять пермаллой, у которого такой параметр как коэффициент прямоугольности, минимальный.
Высокочастотным ИТ идеально подходят сердечники из ферритовых сплавов, поскольку этот материал отличается незначительными динамическими потерями. Но из-за его низкой индуктивности приходится делать ИТ больших размеров.
Расчет импульсного трансформатора
Рассмотрим, как необходимо производить расчет ИТ. Заметим, КПД устройства напрямую связано с точностью вычислений. В качестве примера возьмем схему обычного преобразователя, в которой используется ИТ тороидального вида.
В первую очередь нам потребуется вычислить уровень мощности ИТ, для этого воспользуемся формулой: Р=1,3 х Р н.
Значение Р н отображает, сколько мощности будет потреблять нагрузка. После этого рассчитываем габаритную мощность (Р гб), она должна быть не меньше мощности нагрузки:
Необходимые для вычисления параметры:
- S c – отображает площадь сечения тороидального сердечника;
- S 0 – площадь его окна (как наитии это и предыдущее значение показано на рисунке);
- В макс – максимальный пик индукции, она зависит от того, какая используется марка ферромагитного материала (справочная величина берется из источников, описывающих характеристики марок ферритов);
- f – параметр, характеризующий частоту, с которой преобразуется напряжение.
Следующий этап сводится к определению количества витков в первичной обмотке Тр2:
(полученный результат округляется в большую сторону)
Величина U I определяется выражением:
U I =U/2-U э (U – питающее преобразователь напряжение; U э – уровень напряжения, поступающего на эмиттеры транзисторных элементов V1 и V2).
Переходим к вычислению максимального тока, проходящего через первичную обмотку ИТ:
Параметр η равен 0,8, это КПД, с которым должен работать наш преобразователь.
Диаметр используемого в обмотке провода вычисляется по формуле:
Если у вас возникли проблемы с определением основных параметров ИТ, в интернете можно найти тематические сайты, позволяющие в онлайн режиме рассчитать любые импульсные трансформаторы.
2) ШПТЛ должен быть нагружен по входу и выходу на АКТИВНЫЕ нагрузки равные примерно волновому сопротивлению линий из которых он сделан.
Типовой пример: Наш брат — радиолюбитель применяет для “симметрирования” антенн огромные по величине ферритовые кольца возле полотна. Однако описанный выше эксперимент с активными нагрузками показывает, что колечко диаметром в 10…20 мм выдерживает мощность в 100 Вт и не нагревается! Так где же правда? Правда, в том, что антенна (диполь или рамка) имеет низкое активное сопротивление ТОЛЬКО на одной единственной частоте, частоте первой гармоники антенны. Высокие активные сопротивления, которые имеются на четных гармониках, на практике неприменимы. Низкоомные резонансы на нечетных верхних гармониках попадают уже не в радиолюбительские диапазоны. А на остальных частотах ВСЕГДА будут присутствовать значительные реактивности. Они вызывают сильный нагрев кольца и поэтому оно должно иметь большую поверхность охлаждения т.е. быть БОЛЬШИМ. К примеру, в импортных стоваттных трансиверах на выходе ПА стоят микроскопические ферритовые бинокли. И… НИЧЕГО! Это не из-за того, что они сделаны из диковинного материала. Просто одно из требований к выходной нагрузке для таких трансиверов — что бы она была АКТИВНОЙ. (Другое требование – 50 Ом). Следует опасаться тех публикаций, где рекомендуют мотать строго определенное число витков для ВЧ трансформатора. Это признак еще одной “болезни сознания” — квазирезонансного использования ШПТЛ-а. Вот от туда “ростут ноги” у легенды о необходимости применять ВЧ ферриты. Но… Широкополосности то уже НЕТ!
Теперь про упомянутые 1:1 и 1:2… В школьном курсе физики коэффициент трансформации — это соотношение витков первичной и вторичной обмоток. Т.е. соотношение входных и выходных напряжений. Почему же у радиолюбителей этот параметр превратился “по умолчанию” в коэффициент трансформации сопротивлений? Да потому, что трансформация сопротивлений более важна в нашей среде. Но не следует доходить до апсурда! Вот разговор подслушанный в эфире – два радиолюбителя обсуждают как сделать тансформатор с 50 на 75 Ом. Один предлагает мотать его с соотношением витков 1:1,5. И когда им кто-то робко возражает, в ответ слышны только обвинения в технической неграмотности. И подобное случается на каждом шагу! А всего лишь — ТЕРМИНЫ! Получается, что великий закон сохранения энергии для них не действует и можно при напряжении на входной обмотке, предположим 1 Вольт, подавая на 50-ти омный вход трансформатора мощность 20 мВт, на 75-ти оммном выходе снимать уже 30 мВт. Вот такой “вечный двигатель” получается! Здесь всего то лишь надо помнить, что коэффициент трансформации сопротивлений находится в квадратичной зависимости от коэффициента трансформации напряжений. Другими словами трансформатор 1:2 будет трансформировать сопротивление 50 Ом в 200 Ом, а трансформатор 5:6 сопротивление 50 Ом в 75 Ом. Почему я написал 5:6, а не 1:1,2? Вот здесь – один шаг до конструкции. Как уже говорилось, ШПТЛ должен мотаться линией. А линия – это два или несколько сложенных вместе и слегка скрученных провода. Волновое сопротивление такой линии зависит от диаметра проводов, расстояния между их центрами и шага скрутки. Для трансформации 50 Ом в 75 Ом необходимо использовать линию из ШЕСТИ проводов и, если нет требования к симметрированию, соединить эти провода по схеме
Как вы заметили, схема тоже нарисована по-особому, не как обычный трансформатор. Такое изображение лучше отражает суть конструкции. Привычное схемное изображение, Рис.2, и, соответственно, “традиционная” конструкция автотрансформатора с однослойной обмоткой и отводом от 0,83 общего количества витков при практических испытаниях “на столе” показывает гораздо худшие результаты по широкополосности.
По конструктивным и эксплуатационным соображениям нежелательно так же делать ШПТЛ с укороченным участком одной из линий. Рис.3. Несмотря на то, что это позволяет легко делать любые, даже дробные, коэффициенты трансформации. Такое решение приводит к появлению неоднородности в линии, вследствии чего ухудшается широкополосность.
Интересный вопрос: — “Какие предельные коэффициенты трансформации можно получить в ШПТЛ?” Особенно интересно найти ответ на этот вопрос тем, кто “заболел” идеей сделать широкополосный апериодический ламповый усилитель мощности, где необходимо трансформировать сопротивление порядка 1..2 КОм со стороны лампы в сопротивление 50 Ом. Эксперимент “на столе” дает довольно интересный результат. Опять здесь все зависит от конструкции обмоток. К примеру, если сделать “традиционный” трансформатор или автотрансформатор с коэффициентом трансформации, предположим, 1:10, нагрузить его на положенное активное сопротивление, равное 5 КОм и промерить КСВ на пятидесятиоммной стороне, то от результата волосы могут встать дыбом! А если в добавок снять АЧХ, то будет понятно, что от широкополосности ничего не осталось. Имеется один явный, довольно острый резонанс, обусловленный индуктивностью.
Эту больную тему можно было бы еще развивать до бесконечности, но… Все затмила конструкция широкополосного симметрирующего трансформатора на трансфлюксоре (двухдырочном ферритовом сердечнике) Рис.4, которую мне удалось “подсмотреть” в импортной антенне для телевизора типа “усы”. Изображение на рисунку конечно схематическое — на самом деле обмотки состоят из нескольких (3…5) витков. Долго с недоумением я рассматривал его конструкцию, пытаясь понять систему намотки. Наконец удалось нарисовать расположение “обмоток”. Вот уж – пример использования истинных длинных линий!
Если бы я не знал,что это линии, то подумал бы, что я сумасшедший! Особенно эта красная короткозамкнутая обмотка… Но, почему же мы не удивляемся в случае, когда, например в кабельном U-колене, необходимо соединить в одной точке оплетку с двух концов коаксиального кабеля. Тоже, ведь – ЛИНИЯ! При настольном эксперименте на эквивалент нагрузки этот микротрансформатор, предназначенный для работы на частотах в сотни мегагерц, показал великолепные результаты на значительно более низких частотах, вплоть до диапазона 40 м и при полной мощности трансивера.
Попутно разберемся с легендами о симметричности и симметрировании. Выясним, как очень просто определить является ли тот или иной ШПТЛ симметрирующим, или авторы только заявляют об этом свойстве, а симметрии там и в помине нет. Тут нам снова поможет “Его Величество – Эксперимент” и “Его высочество – теоретический анализ результатов эксперимента”. Сперва разберемся, что такое симметричный выход и чем он отличается от несимметричного. Оказывается тут все зависит от конструкции трансформатора. Вот, например, самый простой случай – ШПТЛ с коэффициентом трансформации 1:1. Любой настоящий или мнимый ШПТЛ (Бывают и такие! И не редко!) можно легко проверить с помощью своего домашнего трансивера. Достаточно присоединить к выходу трансформатора активную нагрузку (эквивалент) с сопротивлением, соответствующим к-ту трансформации, и проверить КСВ на 50-ти омном входе при максимальной мощности передатчика (максимальная точность КСВ метра) в заданном диапазоне частот. Если ШПТЛ настоящий, то КСВ должен быть близок к идеалу т.е. 1,0 и в ШИРОКОЙ полосе частот (на то он и ШИРОКОПОЛОСНЫЙ трансформатор!) Желательно иметь открытый на передачу трансивер с непрерывным перекрытием и не в коем случае не включать внутренний антенный тюнер. Свойство симметрии проверяется при приеме с помощью ПАЛЬЦА (не 21-го! Хотя, можно и им!). Симметрия — суть РАВНОПРАВИЕ обеих выводов нагрузки относительно земли (корпуса трансивера). При приеме какой-либо станции (можно вещательной, это удобнее…) при прикосновении ПАЛЬЦЕМ или отверткой к концам нагрузки, присоединенной к СИММЕТРИЧНОМУ выходу ШПТЛ, по показаниям S-метра и на слух все должно быть одинаково. Но уровень сигнала должен быть на один бал (-6 дБ или два раза по U) меньше на каждом несимметричном выходе. (это в случае к-та трансформации 1:1). В качестве нагрузки кратковременно даже для 100 Вт передачи удобно применять резистор МЛТ-2 на 51 Ом. При этом наблюдается интересный эффект — во время приема синала через симметрирующий транс, при проведении ПАЛЬЦЕМ по корпусу этого резистора с одного края будет слышна радиостанция, в центре резистора — ее слышно не будет, а с другого края — будет слышно так же, как с первого. Только при таких условиях трансформатор можно считать симметрирующим. Попробуйте разные конструкции ШПТЛ-ов, которые публикуются в литературе и в интернете. Результаты Вас могут сильно удивить…
Короче! Делайте свой смеситель на любом кольце с НЧ ферритом. Испытаете — напишите! Экспериментируйте смелее!
Сергей Макаркин, RX3AKT
Трансформаторы на ферритовых трубках выполняют сразу несколько функций: трансформируют сопротивление, симметрируют токи в плечах антенны и подавляют ток на внешней поверхности оплётки коаксиального фидера. Наилучшим отечественным ферритовым материалом для широкополосных трансформаторов (ШПТ) является феррит марки 600НН, но из него не изготавливали трубчатых магнитопроводов...
Сейчас в продаже появились ферритовые трубки зарубежных фирм с хорошими характеристиками, в частности, FRR-4,5 и FRR-9,5 (рис. 1), имеющие размеры dxDxL 4,5x14x27 и 9,5x17,5x35 мм соответственно. Последние трубки использовались в качестве помехоподавляющих дросселей на кабелях, соединяющих системные блоки компьютеров с мониторами на электроннолучевых трубках. Сейчас их массово заменяют на матричные мониторы, а старые выбрасывают вместе с соединительными кабелями.
Рис. 1. Ферритовые трубки
Четыре ферритовые трубки, сложенные рядом по две, образуют эквивалент "бинокля", на котором можно разместить обмотки трансформаторов, перекрывающих все КВ-диапазоны от 160 до 10 метров. Трубки имеют скруглённые грани, что исключает повреждения изоляции проводов обмоток. Их удобно скрепить вместе, обмотав широким скотчем.
Из различных схем широкополосных трансформаторов я использовал простейшую, с раздельными обмотками, витки которых имеют дополнительную связь за счёт плотной скрутки проводников между собой. Это позволяет уменьшить индуктивность рассеяния и за счёт этого повысить верхнюю границу рабочей полосы частот. Одним витком будем считать провод, продетый через отверстия обеих трубок "бинокля", а "половиной витка" - провод, продетый через отверстие одной трубки "бинокля". В таблице сведены варианты трансформаторов, выполнимых на этих трубках. Здесь N1 - число витков первичной обмотки; N2 - число витков вторичной обмотки; К U - коэффициент трансформации напряжений; K R - коэффициент трансформации сопротивлений; М - соотношение сопротивлений при источнике с выходным сопротивлением 50 Ом.
Таблица
| К U | ||||
Как видим, получается весьма широкий выбор соотношения сопротивлений. Трансформатор с коэффициентом 1:1, подобно дросселю, симметрирует токи в плечах антенны и подавляет ток на внешней поверхности оплётки кабеля питания. Прочие трансформаторы в дополнение к этому ещё и трансформируют сопротивления. Чем руководствоваться при выборе числа витков? При прочих равных условиях трансформаторы с одновитковой первичной обмоткой имеют примерно в четыре раза более высокую нижнюю границу полосы пропускания по сравнению с двухвитковой, но и верхняя частота полосы пропускания у них значительно выше. Поэтому для трансформаторов, используемых от диапазонов 160 и 80 метров, лучше использовать двухвитковые варианты, а от 40 метров и выше - одновитковые. Использовать целочисленные значения числа витков предпочтительно, если желательно сохранить симметрию и разнести выводы обмоток на противоположные стороны "бинокля".
Чем выше коэффициент трансформации, тем труднее получить широкую полосу пропускания, поскольку возрастает индуктивность рассеяния обмоток. Компенсировать её можно путём включения конденсатора параллельно первичной обмотке, подбирая его ёмкость по минимуму КСВ на верхней рабочей частоте.
Для обмоток я обычно использую провод МГТФ-0,5 или более тонкий, если нужное число витков не умещается в отверстии. Заранее рассчитываю нужную длину провода и отрезаю её с некоторым запасом. Провод первичной и вторичной обмоток плотно скручиваю до намотки на магнитопровод. Если отверстие феррита не заполнено обмотками, лучше продевать витки в подходящие по диаметру термоусаживаемые трубки, отрезанные по длине "бинокля", которые после завершения намотки усаживаются с помощью фена. Плотное прижатие витков обмоток друг к другу расширяет полосу трансформатора и часто позволяет исключить компенсирующий конденсатор.
Следует иметь в виду, что повышающий трансформатор может работать и как понижающий, с тем же коэффициентом трансформации, если его "перевернуть". Обмотки, предназначенные для подключения к низкоомным сопротивлениям, нужно выполнять из экранной "плетёнки" или нескольких проводов, соединённых параллельно.
Проверку трансформатора можно проводить измерителем КСВ, нагрузив его выход на безындукционный резистор соответствующего номинала. Границы полосы определяются по допустимому уровню КСВ (обычно 1,1). Измерить потери, вносимые трансформатором, можно путём измерения ослабления, вносимого двумя одинаковыми трансформаторами, включёнными последовательно так, чтобы вход и выход устройства имели сопротивление 50 Ом. Результат не забудьте поделить на два.
Несколько труднее оценить мощностные характеристики трансформатора. Для этого потребуются усилитель и эквивалент нагрузки, способный выдерживать необходимую мощность. Используется та же схема с двумя трансформаторами. Измерение проводится на нижней рабочей частоте. Постепенно поднимая мощность CW и поддерживая её примерно минуту, определяем рукой температуру феррита. Уровень, при котором феррит за минуту начинает чуть заметно нагреваться, можно считать максимально допустимым для данного трансформатора. Дело в том, что при работе не на эквивалент нагрузки, а на реальную антенну, имеющую некоторую реактивную составляющую входного импеданса, трансформатор передаёт ещё и реактивную мощность, которая может насыщать маг-нитопровод и вызывать дополнительный нагрев.
На рис. 2 показана практическая конструкция трансформатора, имеющего два выхода: на 200 Ом и 300 Ом.
Рис. 2. Практическая конструкция трансформатора, имеющего два выхода
Трансформаторы можно разместить на подходящих размеров плате, защитив её от осадков любым практическим способом.
Дата публикации: 07.12.2016
Мнения читателей
- Петя
/ 31.07.2018 - 14:23
Ну и где трубки купить?
Вопросы согласования входного сопротивления антенны с волновым сопротивлением фидера, а также симметрирование антенн для радиолюбителей всегда были и остаются актуальными. В последние годы особый интерес проявляется к трансформирующим и согласующим устройствам на ферритовых кольцах. Это связано с тем, что такие устройства могут быть малогабаритными, иметь высокий (до 98 %) КПД. Кроме того, в них не проявляются резонансные свойства при перекрытии частотного интервала в несколько октав (например, от 1 до 30 МГц) что особенно удобно, когда используются многодиапазонные антенны ("квадраты", "INVERTED V" , 3-элементный трехдиапазонный "волновой канал" и т. д.).
В таких широкополосных трансформаторах обмотки выполняют в виде двухпроводных длинных линий передачи (на основе коаксиального кабеля или однородных), намотанных на ферритовое кольцо. Такое выполнение обмоток позволяет практически устранить индуктивность рассеивания и уменьшить индуктивность выводов.
Условное обозначение трансформатора на длинных линиях (ТДЛ), принятое в статье, с одной обмоткой из двухпроводной линии приведено на рис. 1.а, с несколькими (в данном случае с двумя) - на рис. 1.б.
На рис. 2 показано включение ТДЛ с коэффициентом трансформации n=1.
Трансформатор состоит из обмотки в виде однородной длинной линии, намотанной на кольцевой ферритовый магнитопровод. Ее электрическая длина P=2пl/L, где l - геометрическая длина линии, L - длина волны (лямбда). Так как при распространении высокочастотной волны токи, протекающие по проводникам линии, равны по значению и противоположны по направлению, то магнитопровод не намагничивается, а это значит, что мощность в феррите практически не теряется. При согласовании вол нового сопротивления линии g с сопротивлениями источника Rг и нагрузки Rн ТДЛ теоретически не имеет нижней и верхней граничных -частот. На практике же максимальная рабочая частота ограничивается из-за индуктивности выводов и излучения линии.
Следует обратить внимание на особенность ТДЛ. которая заключается в наличии двух видов напряжений: противофазного U, действующего между проводниками линии и определяемого мощностью сигнала, и синфазного (или продольного) V, обусловленного асимметрией нагрузки и зависящего от варианта включения трансформатора.
Как образуется синфазное напряжение, действующее между генератором и нагрузкой, т. е. на индуктивности линии Lл, хорошо видно из рис, 3.
Очевидно, что проводники длинной линии шунтируют нагрузку и генератор, если по ним протекают синфазные токи. Введение магнитопровода резко увеличивает индуктивность обмотки, тем самым повышает сопротивление синфазному току и резко уменьшает их шунтирующее действие. В тоже время на распространение волны магнитопровод не оказывает влияния, так как обеспечивается режим бегущей волны (Rг=g=Rи).
Существует несколько способов построения ТДЛ с целочисленным коэффициентом трансформации п. Можно, например, придерживаться следующего правила. Обмотки (их должно быть n) выполняют из равных по электрической длине отрезков двухпроводных линий. Каждую обмотку размещают на отдельном кольцевом магнитопроводе одного типа. Входы линий с повышающей стороны соединяют последовательно, с понижающей -- параллельно.
В общем виде схема включения ТДЛ с целочисленным коэффициентом трансформации п показана на рис. 4.
Здесь справедливы соотношения Rг=n2Rн, U1=nU2, g=nRн.
На рис. 5 изображены различные варианты включения ТДЛ.
Можно построить ТДЛ и на одном магнитопроводе, но при этом обязательно соблюдают следующие требования. Во-первых, число витков каждой линии должно быть пропорционально значению синфазного напряжения, действующего между концами этой линии, поскольку обмотки связаны общим магнитным потоком. Во-вторых, геометрические длины всех линий обязательно должны быть одинаковыми. В зависимости от варианта включения ТДЛ может даже случиться, что некоторые линии частично или полностью должны быть размещены не на магнитопроводе.
Чтобы определить число витков в обмотках, необходимо вычислить значения синфазных напряжений Vк на каждой линии.
В ТДЛ с несимметричными входом и выходом (тип НН. рис. 5, а)
в инвертирующем (тип НН, рис. 5, б) Vк=(n-к+1)Uн;
с симметричным входом и несимметричным выходом (тип СН, рис. 5, в)
Vк=(n/2-к)Uн;
с несимметричным входом и симметричным выходом (тип НС, рис. 5, г)
Vк=(n+1/2-к)Uн;
с симметричными входом и выходом (тип СС, рис. 5, д)
Vк=(n/2+t/2-к)Uн.
В формулах n - коэффициент трансформации, к - порядковый номер линии, считая сверху, Uн - напряжение на нагрузке.
Эти же формулы являются исходными. когда определяют отношение числа витков в обмотках, размещаемых на магнитопроводе. Если, например, ТДЛ с коэффициентом трансформации n=3 включают по схеме, изображенной на рис. 5, а, то V1:V2:V3=w1:w2:w3=2:1:0. Из этого следует, что верхнюю по рисунку линию размещают на магни-топроводе полностью (w1), у второй --только половину витков (w2=w1/2), а третья целиком (w3=0) должна находиться пне магнитопровода. Геометрическая длина всех линий одинакова.
При согласовании "волнового канала", имеющего входное сопротивление 18,5 Ом, с 75-омным коаксиальным кабелем с помощью ТДЛ (включен по схеме рис. 5, г) с коэффициентом трансформации 2 соотношение витков обмоток равно w1:w2= (2+1/2-1:(2+1/2-2)=3:1. Это означает, что на магнитопроводе верхняя по рисунку обмотка должна находиться целиком, а у второй - только ее третья часть.
Когда длина линий для обмоток много меньше длины рабочей волны, ТДЛ могут быть упрощены: линии, где синфазные напряжения равны нулю. заменяют перемычкой. В этом случае, например, трехобмоточный ТДЛ (рис. 5, д) преобразуется в двухобмоточный (рис. 6).
Коэффициент передачи ТДЛ зависит от того, насколько волновое сопротивление отлично от оптимального значения и каково при этом соотношение электрической длины линии и длины волны. Если, например, с отличается от требуемого в два раза, то потери в ТДЛ равны 0,45 дБ при длине линии лямбда/8 и 2,6 дБ при лямбда/4. На рис. 7 приведена зависимость коэффициента передачи ТДЛ с n=2 от фазовой длины его линий для трех значений g.
Расчет, приведенный в , показывает, что, если используются линии с оптимальными значениями у, коэффициент стоячей волны в ТДЛ не превышает 1,03 при длине линии лямбда/16 и 1,2 при длине лямбда/8. Отсюда можно сделать вывод, что параметры ТДЛ остаются удовлетворительными при длине двухпроводных линий меньше лямбда/8.
Исходными данными при расчете ТДЛ являются коэффициент трансформации п, вариант включения ТДЛ, нижняя и верхняя границы рабочего диапазона частот (в герцах), максимальная мощность Рmax на нагрузке (в ваттах), сопротивление нагрузки Rн (в омах) и волновое сопротивление фидера g (в омах). Расчет ведут в такой последовательности.
1. Определяют минимальную индуктивность проводника линии Lл (в генри) из условия, что
Lд>>Rг/2fн.
На практике Lл, можно брать в 5...10 раз больше вычисленного отношения Rг к 2fн.
2. Находят число витков w линии на кольце магнитопровода:
где dcp - средний диаметр кольца (в см), S - площадь поперечного сечения магнитопровода (в см 2),u - относительная магнитная проницаемость магнитопровода. 3. Рассчитывают синфазный ток Ic; (в амперах), протекающий по обмотке ТДЛ, на низшей рабочей частоте:
Ic=Vc/2пfнLл,
где Vc - синфазное напряжение на линии, вычисляемое для конкретных вариантов включения в соответствии с вышеприведенными соотношениями.
4. Определяют магнитную индукцию (в теслах) Магнитопровода:
B=4*10 -6 .uIc/dcp.
Магнитопровод выбирают с учетом, чтобы он не насыщался синфазным током (или постоянным, если он есть). Для этого магнитная индукция в магнитопроводе должна быть на порядок меньше индукции насыщения (берут из справочников).
5. Находят Пиковое напряжение Uпик в линии:
где у - КСВ в фидере.
6. Вычисляют эффективное значение тока Iэфф (в амперах):
7. Определяют диаметр d проводов (в миллиметрах) длинной линии:
где J - допустимая плотность тока (в амперах на миллиметр квадратный).
Для ТДЛ антенных согласующих устройств подходят кольцевые (типоразмерами К55Х32Х9, К65Х40Х9) магнитопроводы из ферритов 300ВНС, 200ВНС, 90ВНС, 50ВНС, а также 400НН, 200НН, 100НН. При необходимости магнитопровод может быть составлен из нескольких колец. Нужное волновое сопротивление длинной линии получают, равномерно скручивая между собой (с определенным шагом) проводники (см. таблицу). В случае крестообразного соединения проводов с оказывается ниже, чем когда соединены между собой соседние проводники. Волновое сопротивление линии из нескрученных проводов диаметром 1.5 мм равнялось 86 Ом.
Волновое сопротивление длинной линии в зависимости от шага скрутки и вида соединений
| Вид | Шаг скрутки, см | |||||
| 4 | 3 | 2 | 1 | 0.67 | 0.25 | |
| : | 70 | 60 | 56 | 44 | 36 | - |
| I I | 45 | 43 | 40 | 33 (32)* | - | - |
| X | 23 | 22 | 20 | 18 (19)* | - | 10** |
* При диаметре проводов 1 мм.
** При диаметре проводов 0.33 мм.
Чтобы улучшить параметры (в частности, коэффициент асимметрии) и одновременно упростить конструкцию согласующе-трансформирующего узла, применяют последовательное соединение нескольких ТДЛ различного типа.
Для примера по приведенной методике рассчитаем составной ТДЛ с n=2. Он должен согласовать входное сопротивление 12,5 Ом симметричной антенны с коаксиальным кабелем РК-50. Нижняя рабочая частота - 14 МГц. Мощность не превышает 200 Вт. Для ТДЛ предполагается использовать магнитопроводы типоразмером К45Х28Х8 (dcp=3,65 см, S=0,7 см 2) из феррита 100НН (его удельная индукция насыщения - 0,44 Тл/см 2 ).
Пусть первая ступень с коэффициентом трансформации n=2 составного ТДЛ (рис. 8) будет включена по схеме рис. 5, а, а вторая (с n=1) -по схеме рис. 5, г.
Рассчитываем первый ТДЛ.
1. Находим Lл:
Примем Lл равной 13,5 мкГн.
2. Вычисляем число витков обмотки:
Такое число витков двойного толстого провода с трудом можно разместить в окне магнитопровода. Поэтому целесообразно использовать два кольца. В этом случае магнитопровод будет иметь размеры К45Х 28Х16 (S=1.4 см 2). Новое число w:
3. Определяем пиковое напряжение на нагрузке:
4. Находим синфазное напряжение на обмотках в соответствии со схемой включения (рис. 5, а):
V1=(2-1)71=71 В. Поскольку синфазное напряжение на второй обмотке равно 0, то эта обмотка заменяется перемычками (рис. 6).
5. Синфазный ток равен:
6. Вычисляем магнитную индукцию в магнитопроводе:
В=4*10 -6 *100*9*0,06/3,65=59*10 -6 Тл, что значительно меньше индукции насыщения.
Волновое сопротивление линии g1=50 Ом.
Во втором ТДЛ целесообразно применять такие же кольца, как и в первом. Тогда Lл=13,5 мкГн, w=9 витков.
7. Синфазное напряжение на обмотке V=(2+1/2-1)71=106,5 В.
8. Синфазный ток равен:
L=106,5/2*3,14*14*10 6 *13,5*10 -6 =0,09 А.
9. Магнитная индукция
В=100*4*10 -6 *9*0,09/3,65=89*10 -6 Тл.
И в данном случае она получается меньше индукции насыщения. Волновое сопротивление линии обмотки выбирают около 12 Ом.
Диаметр проводов для линий ТДЛ определяют так же, как и диаметр проводов для обмотки в обычных трансформаторах. Этот расчет здесь не приводится.
Внимательный читатель может заметить неточность в приведенном расчете (связана с применением составных ТДЛ). Она заключается в том, что индуктивность Lл вычисляется без учета того, что обмотки ТДЛ первой и второй ступени соединены, т. е. с некоторым запасом. Так что на практике в ТДЛ каждой ступени можно уменьшить число витков в обмотках и применить ферритовые магнитопроводы меньших размеров.
Используя комбинации различных одиночных ТДЛ, можно получить широкую гамму ТДЛ с заданными характеристиками .
У изготовленных ТДЛ следует измерять КПД и коэффициент асимметрии . Схема включения ТДЛ при определении первого параметра показана на рис. 9, второго - на рис. 10. Потери а (в децибелах) в трансформаторе рассчитывают по формуле: а=20lg(U1/nU2).
Симметрирующий ТДЛ (тип НС) с коэффициентом трансформации n=1, работающий в диапазоне частот 1,5... 30 МГц при выходной мощности до 200 Вт, для согласования фидера РК-50 с входным сопротивлением антенны 50 Ом можно изготовить на магнитопроводе 50ВНС типоразмером
К65Х40Х9. Число витков обмоток линии (g=50 Ом) - 9. Обмотки 1-1", 2-2" (рис. 12) мотают в 2 провода ПЭВ-2 1,4 бифилярно, без скруток. Чтобы обеспечить постоянство расстояния между проводами, на них надевают фторопластовую трубку. Обмотку 3-3" наматывают отдельно на свободной части кольца тем же проводом и той же длиной, что обмотки 1-1", 2-2". КПД изготовленного ТДЛ был около 98%. коэффициент асимметрии - более 300.
ТДЛ с коэффициентом трансформации n=2 (тип НС), рассчитанный на мощность до 200 Вт, согласующий 75-омное волновое сопротивление фидера с симметричным входом антенны, у которой входное сопротивление 18 Ом. можно изготовить на магнитопроводе 200НН (рис. 13) типоразмером К65Х40Х9. Обмотки должны содержать 9 витков линий из проводов ПЭВ-2.1,0. Изготовленный трансформатор имел КПД 97 %, коэффициент асимметрии на частоте 10 МГц - 20, на частоте 30 МГц - не менее 60.
На рис. 14 приведена схема включения составного ТДЛ (типа НС) с коэффициентом трансформации n=3, согласующего антенну, имеющую входное сопротивление 9 Ом, с 75-омным коаксиальным кабелем. ТДЛ, рассчитанный на работу в диапазоне 10...30 МГц при мощности до 200 Вт, выполняют на кольцах (типоразмер К32Х20Х6) из феррита 50ВНС. Магнитопроводы трансформаторов WT1 и WT2 составляют из двух колец, обмотки и катушка L1 должны содержать по 6 витков. Длинные линии и катушку выполняют проводом ПЭВ-2 1,0. Волновое сопротивление линии для WT1 - 70 Ом, для WT2 - 25 Ом. Построенный ТДЛ имел КПД 97 %, коэффициент асимметрии - не менее 250.
Перед эксплуатацией ТДЛ следует принять меры по защите их от неблагоприятных климатических воздействий. Для этого трансформаторы обматывают фторопластовой лентой, помещают в коробку и, если есть возможность, заливают компаундом КЛТ.
Литература:
1. Беньковский З., Липинский Э. Любительские антенны коротких и ультракоротких волн.- М.; Радио и связь, 1983.
2. Ротхаммель К. Антенны.- М.: Энергия, 1979.
3. Захаров В. Трехдиапазонная трехэлементная антенна волновой канал.- Радио, 1970. № 4.
4. Лондон С. Е., Томашевич С.В. - Справочник по высокочастотным трансформаторным устройствам.- М.; Радио и связь, 1984.
5. Михайлова М. и др. Магнитомягкие ферриты для радиоэлектронной аппаратуры.- М.: Радио и связь, 1983.
РАДИО N 6, 1987 г., c.26-29.
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в радиотехнике в трансформаторных устройствах и устройствах суммирования мощности при построении радиопередатчиков КВ-УКВ диапазонов. Внутри протяженного ферритового сердечника высокочастотного (ВЧ) трансформатора на его оси установлена цилиндрическая трубка из электропроводящего материала, которая около торцевых границ сердечника соединяется электропроводящими перемычками с соответствующими выводами оплетки отрезка ВЧ кабеля, проходящего внутри трубки. Технический результат состоит в выравнивании магнитного поля в радиальном направлении ферритового сердечника высокочастотного трансформатора. 3 ил.
Изобретение относится к трансформаторам высокочастотных устройств используемых при построении радиопередатчиков и усилителей КВ-УКВ диапазона.
Известен высокочастотный трансформатор типа длинной линии (Алексеев О.В., Головков А.А., Полевой В.В., Соловьев А.А. «Широкополосные радиопередающие устройства. Л., Связь, 1978 г., стр. 155, рис. 8.14б), состоящий из ферритовой трубки или набора ферритовой колец, внутри которых помещен ВЧ кабель.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является высокочастотный трансформатор (В.В. Шахгильдян. «Проектирование радиопередающих устройств». Л., Радио и связь, 1984 г., стр. 176, рис. 4-20б), выбранный в качестве прототипа «одновитковой» конструкции трансформатора, в котором ВЧ кабель, образующий виток трансформатора, пропущен через два цилиндрических ферритовых сердечника.
Недостатком прототипа при повышенной ВЧ мощности в кабеле являются значительные изменения магнитной индукции вдоль радиуса ферритового сердечника, а следовательно, и мощность потерь, определяющих температуру всего устройства.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в принудительном выравнивании в сечении сердечника высокочастотных магнитных полей даже при возможном отклонении кабеля от оси сердечника.
В мощных ВЧ трансформаторах внутренний диаметр сердечника должен выбираться существенно больше, чем радиальный размер кабеля, находящегося внутри этого сердечника. Делается это для того, чтобы уменьшить изменение магнитной индукции вдоль радиуса сердечника, которая изменяется обратно пропорционально расстоянию от оси проводника с током, находящегося внутри сердечника. Поэтому при увеличении радиальных размеров сердечника различие магнитной индукции на его внутренней и внешней поверхностях снижается, а следовательно, уменьшается и мощность потерь, выделяемая в этих областях, и температура ферритового сердечника. Поскольку к крайним зажимам наружного проводника коаксиального кабеля прикладывается высокочастотное напряжение, по наружной поверхности оплетки этого кабеля будет проходить ток. Магнитное поле тока имеет центральную, относительно оси кабеля, симметрию. Именно поэтому ось симметрии коаксиального кабеля внутри цилиндрического сердечника и ось самого сердечника должны совпадать. При отклонении кабеля от продольной оси сердечника, магнитное поле в различных частях сердечника по периметру кольца будет различным, и различие это будет тем сильнее, чем больше кабель отклоняется от оси сердечника. При этом различие магнитных полей в частях сердечника может быть существенным, поэтому и напряженности магнитного поля в этих частях сердечника могут отличаться в несколько раз. Следствием захода в область насыщения магнитного материала даже в небольшой части сердечника будет не только появление искажений в передаваемом сигнале, но и возникновение градиента температуры по периметру сердечника. Последнее обстоятельство может служить причиной механического разрушения сердечника. Поэтому, чтобы избежать насыщения даже в небольшой части сердечника, приходится при расчете делать запас по величине допустимой магнитной индукции по всему объему сердечника, что ведет, в итоге, к существенному росту габаритов и массы трансформатора.
Поставленная задача решается за счет того, что в ферритовом сердечнике устанавливается электропроводящая трубка, внутри которой проходит отрезок ВЧ кабеля, концы оплетки которого присоединены к соответствующим концам трубки.
Изобретение (высокочастотный трансформатор) поясняется рисунками, где на фиг. 1 изображен трансформатор, используемый для инвертирования или симметрирования ВЧ сигнала коаксиального кабеля, на фиг. 2 - «одновитковый» трансформатор, на фиг. 3 - вариант исполнения «одновиткового» трансформатора.
Внутри ферритового сердечника 1 (фиг. 1), составленного из отдельных колец, вдоль его внутренней поверхности устанавливается цилиндрическая трубка 2 из электропроводящего материала. Края этой трубки перемычками 3 и 4 (изготовленными из того же материала, что трубка) соединяются с помощью проводников 5, 6 с оплеткой коаксиального кабеля 7, расположенного внутри трубки. В итоге ток, определяемый разностью потенциалов на границах оплетки кабеля, пойдет не по наружной поверхности оплетки кабеля, а по поверхности установленной цилиндрической трубки 2 по перемычкам 3, 4 и проводникам 5, 6. При этом местоположение кабеля внутри цилиндрической трубки не влияет ни на токи внутри кабеля, ни на ток по внешней поверхности цилиндрической трубки. Внутри объема, определяемого цилиндрической поверхностью и замыкающими его перемычками, кабель может располагаться произвольно, например так, как показано на рисунке фиг. 1. При разбиении сердечника на две части (аналогично тому, как это выполнено на фиг. 2) электропроводящие конструкции устанавливаются в обеих частях сердечника с соответствующими соединениями в каждой из них. Длина кабеля трансформатора может быть сокращена за счет спрямления кабеля внутри проводящих цилиндров и эксцентричного его расположения внутри них (фиг. 3). Для уменьшения влияния участков ферритового сердечника на магнитное поле оплетки отрезка коаксиального кабеля, соединяющего две части конструкции, целесообразно эту часть кабеля отдалить от плоской поверхности сердечников с одновременным увеличением длины электропроводящей конструкции.
Высокочастотный трансформатор, выполненный в виде цилиндрического ферритового сердечника, с размещенным внутри коаксиальным кабелем, к концам оплетки которого приложено высокочастотное напряжение, отличающийся тем, что внутри сердечника на его оси устанавливается цилиндрическая трубка из электропроводящего материала, торцы которой соединяются с соответствующими концами оплетки кабеля, размещенного в трубке.
Похожие патенты:
Изобретение относится к области электротехники и предназначено для преобразователей тока, трансформаторов или катушек индуктивности общего режима. Техническим результатом является уменьшение габаритов преобразователей, уменьшение энергии, рассеиваемой за счет эффекта Джоуля, уменьшение отрицательного влияния индуктивности утечки.
Изобретение относится к электроэнергетике и предназначено для ограничения уровней магнитных полей промышленной частоты, создаваемых в окружающем пространстве в общественных, административных зданиях с электронно-техническим оборудованием, например аппаратурой релейной защиты и автоматики, или жилых помещениях электрическими однофазными реакторами без ферромагнитного сердечника.
Изобретение относится к электротехнике и предназначено для ограничения уровней магнитных полей промышленной частоты, создаваемых в окружающем пространстве в общественных, административных зданиях или жилых помещениях электрическими однофазными реакторами без ферромагнитного сердечника.
