Импульсные трансформаторы предназначены для формирования и трансформации импульсов малой длительности. Основным требованием, предъявляемых к импульсным трансформаторам, является требование малых искажений форм трансформируемого импульса.
Несмотря на различие функций трансформаторов, основные физические процессы, протекающие в них, одни и те же. Поэтому трансформаторы различного схемного назначения имеют однотипное устройство.
Различают: трансформаторы питания электронной аппаратуры и сигнальные трансформаторы.
Трансформаторы питания электронной аппаратуры -- это трансформаторы малой мощности, предназначенные для преобразования напряжения электрической сети в напряжения, необходимые для питания электронных устройств.
Сигнальные трансформаторы - это трансформаторы малой мощности, предназначенные для точной передачи, преобразования и запоминания электрических сигналов. Их подразделяют на входные (обеспечивающие согласование входных сопротивлений электронных узлов и источников сигнала), выходные (обеспечивающие согласование выходных сопротивлений электронных устройств с сопротивлениями нагрузок) и импульсные (обеспечивающие преобразование и формирование импульсных сигналов).
В бытовой и радиолюбительской РЭА наибольшее распространение получили малогабаритные трансформаторы с выходной мощностью до 4 кВ * А.
По рабочей частоте трансформаторы подразделяют:
пониженной частоты (ниже 50 Гц);
промышленной частоты (50 Гц);
повышенной промышленной частоты (400, 1000 Гц);
повышенной частоты (до 10000 Гц);
высокой частоты (свыше 10000 Гц).
По электрическому напряжению трансформаторы можно разделить на низковольтные, у которых напряжение любой обмотки не превышает 1000 В, и высоковольтные, у которых напряжение любой обмотки превышает 1000 В.
По количеству обмоток трансформаторы делят на однообмоточные, двухобмоточные и многообмоточные. Однообмоточный трансформатор называется автотрансформатором, гальванической развязки между входной и выходной цепью у него нет. Двухобмоточный трансформатор имеет одну первичную и одну вторичную обмотки. У многообмоточных трансформаторов несколько вторичных обмоток.
По виду используемого магнитного сердечника различают трансформаторы с пластинчатым, ленточным и прессованным сердечниками.
Пластинчатый сердечник (рис. 15, а) представляет собой набор штампованных (до 0,65 мм) одинаковых пластин. Ленточный с толщиной ленты до 0,1 мм - витую конструкцию (рис. 15, б).
Прессованный сердечник получают из магнитных порошков путем прессовки (рис.15, в).
Рис.15. Конструкция сердечников трансформаторов: а - пластинчатый; б - ленточный; в -- прессованный
В последнее время наибольшее применение получили ленточные и прессованные сердечники, позволяющие эффективнее использовать свойства магнитных материалов.
Ленточные сердечники имеют меньшие потери, а, следовательно, позволяют получить больший коэффициент полезного действия трансформатора.
Прессованные сердечники дешевле пластинчатых и ленточных, в то же время они имеют и свои недостатки: значительную зависимость индукции от температуры, пропитки и заливки обмоток, подверженность механическим воздействиям. Прессованные сердечники применяются на относительно высоких частотах (более 10 кГц).
По конструктивному исполнению трансформаторы подразделяются на броневые, стержневые и тороидальные (кольцевые).
Магнитопровод броневого трансформатора выполняется либо из Ш - образных пластин, либо из двух ленточных колец , все обмотки располагаются на среднем стержне. Достоинствами этих трансформаторов являются: наличие одной катушки, более высокое заполнение окна магнитопровода, частичная защита катушки от механических повреждений.
Рис.16. Сердечники броневого трансформатора: а - из штампованных пластин; б - из ленточных колец
Рис.17. Сердечники стержневого трансформатора: а - из штампованных пластин; б - из двух половин ленточного кольца
Магнитопровод стержневого сердечника выполнен либо из П - образных пластин, либо из одного ленточного кольца (рис.17.). В этих трансформаторах катушки располагаются на обоих стержнях. При этом на каждом стержне помещается половина витков первичной и половина витков вторичной обмоток. Они соединяются между собой последовательно так, чтобы намагничивающие силы этих полуобмоток совпадали по направлению. Стержневые трансформаторы менее чувствительны к внешним магнитным полям. Недостатком их является наличие двух катушек.
Для надевания катушек на магнитопроводы броневых и стержневых сердечников последние делают разборными. Сборка магнитопроводов для трансформаторов осуществляется таким образом, чтобы магнитная цепь была замкнута (отсутствовал немагнитный зазор).
2.2 Магнитопроводы трансформаторов
Магнитопроводы служат для того, чтобы обеспечить более полную связь между первичной и вторичной обмотками и увеличения магнитного потока. Выбор материала магнитопровода зависит от назначения и свойств трансформатора. Для трансформаторов питания широкое распространение получили холоднокатаные стали марок 3411 - 3424. В этих сталях при холодной прокатке кристаллы ориентируются вдоль направления проката, благодаря чему удается получить более высокую индукцию и меньшие потери.
Для трансформаторов применяют три типа магнитопроводов: стержневой, броневой и кольцевой. По конструкции броневые сердечники подразделяют на сердечники, собранные из штампованных пластин, и ленточные.
Трансформаторы со стержневым магнитопроводом (рис. 18, а и б) имеют неразветвленную магнитную цепь, на двух его стержнях располагают две катушки с обмотками. Такую конструкцию используют обычно для трансформаторов большой и средней мощности, так как наличие двух катушек увеличивает площадь теплоотдачи и улучшает тепловой режим обмоток. Трансформаторы с броневым сердечником (рис. 18, в и г) имеют разветвленную магнитную цепь, обмотки в этом случае размещают на центральном стержне магнитопровода. Такие магнитопроводы используют в маломощных трансформаторах.
Пластинчатые магнитопроводы (рис. 18, а и в) собирают из отдельных штампованных Ш - образных или П - образных пластин толщиной 0,35 - 0,5 мм и перемычек. При сборке встык все пластины составляют вместе и соединяют перемычками.
Магнитопровод в этом случае состоит из двух частей, что позволяет получить воздушные зазоры в магнитной цепи, необходимые для нормальной работы трансформаторов, у которых через обмотки помимо переменного тока протекает постоянный ток. При сборке внахлест пластины чередуются так, чтобы у соседних пластин разрезы были с разных сторон, что обеспечивает отсутствие воздушного зазора в магнитопроводе. При этом уменьшается его магнитное сопротивление, однако возрастает трудоемкость сборки. Для уменьшения потерь на вихревые токи пластины изолируют друг от друга слоем оксидной пленки, лаковым покрытием или склеивающей суспензией.
Рис.18. Трансформаторы со стержневым и броневым магнитопроводами.
Ленточные магнитопроводы (рис. 18, б и г) получают путем навивки ленты трансформаторной стали толщиной 0,1 - 0,3 мм, после чего витой сердечник разрезают и получают два С - образных сердечника, на один из которых устанавливают катушки с обмотками, а затем вставляют второй С - сердечник. Для получения минимального немагнитного зазора в магнитопроводе торцы сердечников склеивают пастой, содержащей ферромагнитный материал. Если необходим зазор, то в месте стыка двух сердечников устанавливают прокладки из бумаги или картона требуемой толщины. В случае броневого ленточного сердечника применяют одну катушку с обмотками и четыре С - образных сердечника. Ленточная конструкция сердечников позволяет механизировать процесс изготовления трансформаторов. При этом трудоемкость процесса установки сердечника в катушку снижается, а отходы материалов сокращаются. Потери в ленточных сердечниках меньше, чем в пластинчатых. Это объясняется тем, что в пластинчатых сердечниках магнитные силовые линии часть пути проходят перпендикулярно направлению проката, а в ленточных сердечниках линии поля расположены вдоль направления проката по всей длине магнитопровода.
Трансформаторы на тороидальных сердечниках (рис.18, д ) наиболее сложные и дорогие. Основными преимуществами их являются очень незначительная чувствительность к внешним магнитным полям и малая величина потока рассеяния. Обмотки в трансформаторе наматывают равномерно по всему тороиду, что позволяет еще более уменьшить магнитные потоки рассеяния
Расчет трансформатора в общем случае представляет задачу, в которой число неизвестных больше числа связывающих их уравнений. Ввиду этого приходится задаваться некоторыми исходными электромагнитными и конструктивными величинами на основе опыта ранее спроектированных трансформаторов. В настоящее время для многих условий разработаны унифицированные трансформаторы. Поэтому необходимо определить возможность применения этих трансформаторов для заданных условий и требований. Если это не удается, то исходя из условий работы, должна быть определена конструкция трансформатора, выбран материал сердечника, определены числа витков обмоток, диаметры их проводов и другие параметры неунифицированного трансформатора. При этом, как правило, должны быть учтены требования к определенным технико-экономическим показателям, которые зависят от назначения трансформатора. При проектировании трансформаторов для летательных аппаратов они должны иметь минимальные удельные массу и объем. Требованию наименьшей стоимости должны отвечать трансформаторы стационарной аппаратуры, выпускаемой большими сериями, и т. д.
Инженерный расчет трансформатора состоит из четырех этапов:
выбор типа трансформатора и его принципиальной конструкции;
выбор и расчет магнитопровода с определением его основных размеров;
электрический, конструктивный расчеты;
поверочный расчет.
В проектировании трансформатора любого назначения существенным является выбор магнитопровода, эта операция сводится к решению следующих двух задач: выбор типа, конструкции, материала магнитопровода; выбор (расчет) типоразмера магнитопровода.
После электрического и конструктивного проводят поверочный расчет: уточнение токов, падения напряжения на обмотках, значения магнитной индукции, определение температуры перегрева. Если требуемые параметры обеспечить не удается, то выбирают следующий больший типоразмер магнитопровода и повторяют расчет.
Сигнальные трансформаторы, обеспечивающие точную передачу аналоговых информационных сигналов, проектируют так, чтобы вносимые ими частотные и нелинейные искажения не превышали заданных при коэффициентах трансформации, требуемых для согласования сопротивлений источников сигнала и нагрузок. Частотные искажения сигнала наблюдаются как в области низких, так и в области высоких частот. В области низких частот они обусловлены малым значением сопротивления взаимоиндуктивности, в результате чего определенная часть электрического тока, созданного входным сигналом, ответвляется в нее. В области высоких частот частотные искажения обусловлены наличием у обмоток индуктивностей рассеивания, электромагнитными потерями в магнитопроводе, а также наличием у обмоток и между обмотками паразитных емкостей. Учесть емкости достаточно сложно из-за того, что они имеют распределенный характер и существенно меняются в зависимости от технологии изготовления обмоток. Но с их наличием приходится считаться.
2.3 Физические основы функционирования трансформаторов
В общем случае любой трансформатор имеет, по крайней мере, две индуктивно связанные обмотки: первичную с числом витков и индуктивностью и вторичную с числом витков .
Особенностью трансформаторов является использование в них (для увеличения индуктивной связи между обмотками) магнитопроводов из магнитомягких сталей, сплавов или ферритов, образующих замкнутую магнитную цепь.
Функционирование трансформаторов основано на связи цепей через магнитный поток (рис. 19).
При подключении к первичной обмотке, имеющей витков, переменного напряжения в ней появляется переменный ток и возникнет магнитный поток , который в основном будет замыкаться через магнитопровод и пронизывать нитки как первичной, так и вторичной обмотки, имеющей витков, в результате чего в первичной обмотке индуцируется ЭДС , а во вторичной - . Наличие ЭДС вызовет появление тока во вторичной обмотке, и на нагрузочном резисторе появится напряжение .
Рис.19. Функционирование трансформаторов через магнитный поток.
Ток создаст магнитный поток , направленный навстречу потоку , в результате чего в магнитопроводе установится результирующий магнитный поток . Незначительная часть потока, создаваемого током , замыкается не через магнитопровод, а через воздух. Этот поток называется потоком рассеяния , точно так же существует поток рассеяния вторичной обмотки . В правильно сконструированном трансформаторе потоки рассеяния ничтожно малы, и ими можно пренебречь.В соответствии со вторым законом Кирхгофа напряжение должно быть равно сумме падений напряжений на активном сопротивлении провода первичной обмотки и двух ЭДС, обусловленных потоками и , сцепленными с первичной обмоткой:
.
Соответственно, для вторичной обмотки
Значение ЭДС, индуцируемой в первичной обмотке, определяется скоростью изменения магнитного потока:
.
Действующее значение этой ЭДС [В] равно
.
Магнитный поток можно выразить через индукцию :
,
где - площадь поперечного сечения сердечника, [см2].
Тогда величина ЭДС первичной обмотки равна
.
Соответственно, ЭДС второй обмотки равна
.
Из соотношений (2.4) и (2.5) следует:
Это отношение называют коэффициентом трансформации.
Используя уравнение Кирхгофа, и произведя пересчет параметров из вторичной цепи в первичную и переход к действующим значениям токов и напряжений, можно составить эквивалентную схему трансформатора (рис. 20), в которой