§ 1.4. ТРАНСФОРМАТОРЫ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

Трансформаторами называются статические устройства, обеспечивающие преобразования параметров переменных напряжений и токов. Трансформаторы позволяют: изменять уровни и фазу напряжений (токов); согласовывать сопротивления источника сигнала и нагрузки; разделять цепи по постоянному току; изменять форму переменного напряжения (тока).

В настоящее время преимущественно применяются электромагнитные трансформаторы, принцип работы которых основан на преобразовании энергии электрического поля в энергию магнитного поля и обратном преобразовании последней. Тем самым осуществляется передача электрической энергии из одной цепи в другую. Такой трансформатор состоит из ферромагнитного магнитопровода и расположенных на нем обмоток. Обмотка, подключаемая к первичной питающей сети (источнику сигнала), называется первичной, а обмотки, к которым подключаются цепи нагрузки, — вторичными.

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).

Магнитопроводы трансформаторов электронной аппаратуры имеют различные конфигурации. Широко используются стержневые, броневые и тороидальные конструкции (рис. 1.15).

Трансформаторы со стержневыми магнитопроводами (рис. 1.15, а) имеют неразветвленную магнитную цепь, обладают относительно большим значением потока рассеяния и лучшими условиями охлаждения обмоток, так как они располагаются на разных стержнях.

Рис. 1.15. Магнитопроводы трансформаторов: а - стержневой: б - броневой; в - тороидальный (кольцевой)

Такие конструкции менее чувствительны к внешним магнитным полям, в связи с тем что ЭДС помехи, наводимые в обеих катушках, противоположны по знаку и частично или полностью уничтожаются. Указанные преимущества делают их предпочтительными при изготовлении трансформаторов большой мощности. Недостатки их — большие потоки рассеивания и большие, чем у броневых трансформаторов, массогабаритные показатели. Броневые трансформаторы (рис. 1.15, б) имеют разветвленную магнитную цепь. Обмотки располагаются на среднем стержне. Такие трансформаторы относятся к числу наиболее простых и дешевых в производстве. Недостатками их являются относительно высокая чувствительность к наводкам, большая величина потока рассеяния и плохое охлаждение обмоток.

Трансформаторы на тороидальных сердечниках (рис. 1.15, в) наиболее сложные и дорогие. Основными преимуществами их являются весьма малая чувствительность к внешним магнитным полям и малое значение потока рассеяния. Обмотки в трансформаторах тороидальной конструкции наматывают равномерно по всему тору, что позволяет еще более уменьшить магнитные потоки рассеяния.

Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы изготовляют из тонких пластин трансформаторной стали (шихтованные), покрытых с одной стороны слоем изолирующего лака или оксида. Сборка сердечника из пластин, толщина которых меньше мм, неудобна и плохо поддается автоматизации. В случаях тонкого магнитного материала удобнее и дешевле оказываются «витые сердечники», навиваемые из стальной ленты необходимой толщины. Их часто называют ленточными.

Пластинчатые магнитопроводы собирают из отдельных пластин встык или внахлест. При сборке встык все пластины составляются вместе и собираются одинаково. Магнитопровод состоит из двух частей, которые соединяются вместе. Это облегчает сборку и разборку трансформатора и позволяет получить воздушные зазоры, необходимые для нормальной работы дросселя низкой частоты.

Рис. 1.16. Магнитопроводы типов: а — обращенный тор; б - кабельные; в - шпули

При сборке внахлест пластины чередуются так, чтобы у соседних пластин разрезы были с разных сторон. При этом уменьшается магнитное сопротивление магнитопровода, но трудоемкость сборки увеличивается.

Броневые и стержневые ленточные магнитопроводы изготовляют, как правило, из холоднокатаной стали и собирают встык из двух отдельных половин подковообразной формы.

Ленточные магнитопроводы по сравнению с пластинчатыми допускают применение на 20—30% большей магнитной индукции, имеют лучшее заполнение объема магнитопровода обмотками, меньшие электромагнитные потери и повышенный КПД.

Магнитопроводы для трансформаторов изготовляют несколько типов. Броневые ленточные: ШЛ — с наименьшей массой; ШЛМ — со сниженным расходом меди; ШЛО — с увеличенной шириной окна; ШЛП — с наименьшим объемом; ШЛР — наименьшей стоимости; стержневые ленточные ПЛ; ПЛВ — с наименьшей массой; ПЛМ — с уменьшенным расходом меди; ПЛР — наименьшей стоимости; тороидальные ленточные с наименьшей массой — ОЛ.

Известны также трансформаторы, в которых магнитопроводы выполнены в виде полого кольца, внутри которого располагаются обмотки — обращенный тор (рис. 1.16, а), в форме трубки — кабельные (рис. ), в форме шпули (рис. 1.16, в). Конструкции трансформаторов с магнитопроводами кабельного типа и типа «шпуля» показаны на рис. 1.17, а, 6.

Свойства трансформатора определяются магнитными свойствами материала магнитопровода, который должен иметь минимальное магнитное сопротивление для основного потока. На рис. 1.18, а, б, изображена типичная зависимость магнитной индукции В от напряженности Н магнитного поля, соответствующая изменению Н от до . Изображенная гистерезисная пегля называется предельной. Она получается, если амплитуда достаточно велика.

Рис. 1.17. Конструкция трансформаторов: а - с кабельным магнитопроводом; б - типа шпули; 1,2 - обмотки; 3,4 - магнитопровод; 5 — трубка из диэлектрика

Основная кривая намагничивания, показанная на рисунке пунктирной линией, является важной характеристикой магнитного материала и представляет собой геометрическое место вершин частных симметричных петель гистерезиса, соответствующих различным величинам . При наличии в функциях или постоянной составляющей соответствующая петля гистерезиса несимметрична. Материал магнитопроводов характеризуется следующими основными параметрами: индукцией насыщения , остаточной индукцией , магнитной проницаемостью и площадью петли гистерезиса. Применяются материалы, имеющие большие значения магнитной проницаемости . и индукции насыщения , а также малую площадь петли гистерезиса, определяющей величину тепловых потерь в магнитопроводе.

Выбор материала (электротехнические стали, пермаллои, ферриты) зависит от назначения и свойств трансформатора. Для низкочастотных силовых трансформаторов используют холоднокатаные текстурированные ленточные стали, например 3411, 3421 и др.

Рис. 1.18. Кривые перемагничивания магнитопровода ИТ

Они имеют пониженные удельные потери, высокую индукцию насыщения, высокую магнитную проницаемость в средних и сильных полях.

Для сигнальных трансформаторов широко применяются пермаллои и т. д., причем сплавы ввиду малой индукции насыщения не рекомендуют использовать в цепях, где имеет место подмагничивание постоянным током. Ферриты используются обычно в трансформаторах, работающих на повышенных частотах (выше нескольких десятков ). Их применение ограничено из-за низкой индукции насыщения и сильной температурой зависимости параметров. В основном используются марганец-цинковые ферриты марок 6000 НМ, 4000 НМ, 2000 НМ, 1500 НМЗ, 1000 НМЗ, 700 НМ (первые цифры указывают номинальные значения магнитной проницаемости магнитного материала).

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 техникоэкономическим 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: 1) выбор типа трансформатора и его принципиальной конструкции; 2) выбор и расчет магнитопровода с определением его основных размеров; 3) электрический, конструктивный расчеты; 4) 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.

Для маломощных трансформаторов источников питания электронной аппаратуры типоразмер магнитопровода определяется по так называемой электромагнитной мощности Р (на одну фазу): , где — коэффициент, учитывающий отношение между электромагнитной и вторичной мощностями (выбирают из специальных таблиц); — габаритная мощность.

Габаритная мощность равна полусумме мощностей всех обмоток включая первичную:

Мощность первичной обмотки зависит от значения намагничивающего тока и схемы выпрямления. Для наиболее распространенных схем выпрямления ее можно считать равной для схем:

По значению электромагнитной или габаритной мощности из специальных таблиц, имеющихся в литературе по расчету трансформаторов, находят размеры магнитопровода. При этом также учитывают заданные заранее допустимую температуру перегрева обмоток для бортовой аппаратуры, для наземной, при повышенном сроке службы и сниженной стоимости) и допустимую нестабильность напряжений, которая зависит от типа аппаратуры.

После выбора размеров магнитопровода проводят электрический расчет. Для этого определяют электродвижущую силу , индуцируемую в одном витке:

где В — выбранная магнитная индукция в магнитопроводе; - частота; — площадь сечения магнитопровода, (см. рис. 1.15); — коэффициент заполнения площади сечения магнитопровода сталью; .

Затем находят числа витков W в обмотках: — напряжение на обмотке). Определяют диаметры или сечения проводов обмоток, подсчитывают числа витков в слое, количество слоев, размеры катушки.

При определении сечения проводов исходят из допустимой плотности тока J, значения которой зависят от конструкции трансформатора и его мощности: .

Значения J также приведены в таблицах для определенных размеров магнитопровода. При их отсутствии можно брать , что гарантирует обмотки от перегрева даже при плохом охлаждении.

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 М (рис. 1.19, а), 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 С. 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. На эквивалентной схеме приведенного трансформатора для области высоких частот (рис. 1.19, д) часто вводят приведенную собственную емкость С (иногда емкость подключают параллельно взаимоиндуктивности или подключают к входным и выходным зажимам).

Для упрощения часто используют эквивалентные схемы трансформатора для областей низких (рис. 1.19, в), средних (рис. 1.19, г), высоких (рис. 1.19, д) частот и приведенную к первичной обмотке эквивалентную схему (рис. 1.19, б).

Нелинейные искажения обусловлены тем, что взаимоиндуктивность М и сопротивление потерь зависят от значения магнитной индукции в магнитопроводе трансформатора: . В результате этого соотношение между сопротивлениями эквивалентной схемы меняется в зависимости от уровня входного сигнала, а соответственно изменяется коэффициент трансформации трансформатора. Это приводит к искажениям формы выходного сигнала, которые называются нелинейными искажениями.

Рис. 1.19. Эквивалентные схемы: а — трансформатора; б — приведенного трансформатора; в — для областей низких частот; г — средних; д - высоких частот; - активные сопротивления провода обмоток; - индуктивности рассеяния обмоюк; М - взаимоиндуктивность; — сопротивление, отражающее наличие потерь в магнитопроводе; С — приведенная собственная емкость трансформатора

Математическая модель двухобмоточного трансформатора в общем случае имеет вид

где — магнитная проводимость магнитопровода для магнитного потока, пронизывающего все обмотки, — магнитное сопротивление магнитопровода (находят аналогично тому, как рассмотрено в § 1.3 для катушек индуктивности); W — число витков обмоток; М — комплексная взаимоиндуктивность, в которой учтено наличие потерь в магнитопроводе комплексная индуктивность намагничивания приведенного трансформатора, в которой учтено наличие потерь в магнитопроводе ().

Если вторичная обмотка трансформатора работает на холостом ходу , то ток и, преобразовав (1.1), можно записать

Из (1.2) видно, что в общем случае даже на холостом ходу коэффициент передачи трансформатора отличается от коэффициента трансформации , и только если выполняется условие , коэффициенты передачи и трансформации равны. При этом следует помнить, что в (1.1) не учтены емкости обмоток, наличие которых может привести к дополнительным погрешностям преобразования сигналов.

Если ток вторичной обмотки отличается от нуля , то уравнение (1.1) имеет вид:

где

Учтя, что , получим

откуда

Из видно, что подключение сопротивления нагрузки не приводит к появлению погрешностей преобразования только тогда, когда выполняются условия . Так как значение сопротивления увеличивается с повышением частоты из-за увеличения члена , а также растет сопротивление , то даже в случае линейной частотнонезависимой магнитной цепи коэффициент передачи уменьшается.

Это позволяет утверждать, что в диапазоне низких частот основную роль в появлении погрешностей играет соотношение между активным сопротивлением первичной обмотки и индуктивностью намагничивания (приведенный трансформатор на холостом ходу; рис. 1.19, в). При наличии нагрузки погрешность вносит также активное сопротивление вторичной обмотки.

В диапазоне средних частот, где сопротивление индуктивности намагничивания достаточно велико, а сопротивление индуктивностей рассеивания еще мало, погрешность преобразования обусловлена активными сопротивлениями обмоток (рис. 1.19, г).

В диапазоне высоких частот погрешность растет из-за увеличивающегося влияния индуктивностей рассеивания обмоток и паразитных емкостей, оцениваемых эквивалентной емкостью С (рис. 1.19, д).

Типоразмер сердечника для указанных трансформаторов выбирают по двум показателям: конструктивной постоянной нижних частот В, определяющей частотную характеристику трансформатора в области низких частот, и конструктивной постоянной индукции D, определяющей максимальную амплитуду переменной составляющей магнитной индукции , а следовательно, и величину нелинейных искажений сигнала.

С их помощью учитывают требования получения определенной постоянной времени первичной обмотки , от которой зависят искажения в области низких частот и возможности реализации подводимой к трансформатору мощности. Эта мощность ограничена максимально допустимым значением магнитной индукции в магнитопроводе.

Величины В и D связаны как с электрическими, так и с конструктивными данными трансформатора, что и позволяет составить таблицу необходимых типоразмеров сердечников. Так, в частном случае у трансформатора, входящего в состав каскада, работающего в режиме А, необходимые величины В и D находят с помощью формул

где С — коэффициент, учитывающий число параллельных жил провода обмотки ); — относительная магнитная проницаемость материала магнитопровода; — амплитуда переменной составляющей индукции при максимальном сигнале на низшей рабочей частоте; — мощность, отдаваемая в нагрузку, и КПД трансформатора.

С помощью специальных таблиц определяют типоразмер магнитопровода, выбирая его так, чтобы постоянные В и D были больше значений, найденных в результате расчета.

Числа витков обмоток выбирают исходя из условия получения требуемой индуктивности и обеспечения значения магнитной индукции, меньшего допустимого. При этом используют формулы

где — средняя длина магнитной силовой линии и площадь сечения магнитопровода; наименьшая частота.

Диаметр провода обмоток определяют исходя из значений их активных сопротивлений :

где — средняя длина витка обмотки i из медного провода.

Если трансформатор работает на достаточно высокой частоте (выше сотен ), то активное сопротивление провода обмотки увеличивается из-за поверхностного эффекта и эффекта близости. Для уменьшения влияния частоты на активное сопротивление обмоток их наматывают несколькими скрученными и соединенными вместе проводами (литцендратом).

При этом существенно увеличивается результирующая поверхность, по которой протекает электрический ток на повышенных частотах и уменьшается изменение активного сопротивления обмоток с частотой (на высоких частотах ток протекает по поверхности, почти не проникая внутрь проводников).

Для уменьшения собственной емкости используют конструктивные приемы, с помощью которых сводят к минимальным значениям емкость между внутренним слоем обмотки и магнитопроводом и емкости между слоями и обмотками. В частности, применяют секционирование обмоток, специальные типы намоток, электростатические экраны, рациональное заземление и соединение концов, диэлектрики с малой величиной диэлектрической проницаемости.

Импульсными трансформаторами (ИТ) называются специальные типы сигнальных трансформаторов, которые предназначены для трансформации или формирования импульсов напряжения (тока) различной формы. Основным требованием, предъявляемым к ИТ, является требование малых или определенных искажений формы трансформируемого импульса. На рис. 1.20 показаны типичные искажения формы прямоугольного импульса, который передан через импульсный трансформатор.

Рис. 1.20. Прямоугольный импульс, переданный через импульсный трансформатор

Увеличение длительности фронта импульса (быстрого нарастания сигнала) обусловлено действием индуктивности рассеяния и собственной емкости С трансформатора.

Относительный спад вершины импульса объясняется конечным значением индуктивности намагничивания .

Важной особенностью работы ИТ является то, что обычно трансформируемые импульсы являются однополярными и поэтому магнитопровод перемагничивают по частному несимметричному гистерезисному циклу, который приведен на рис. . В этом случае он характеризуется импульсной магнитной проницаемостью . Из рис. видно, что величина может быть существенно меньше величины вследствие того, что . Для увеличения импульсной магнитной проницаемости , определяющей величину индуктивности импульсного намагничивания , необходимо использовать в ИТ сердечники с малой величиной остаточной магнитной индукции и большой величиной индукции насыщения . При расчете ИТ необходимо также учитывать размагничивающее действие вихревых токов. Учет этого эффекта достигается заменой на кажущуюся магнитную проницаемость . Меньшей величине соответствует и меньшая величина кажущейся индуктивности намагничивания .

Величины и могут быть не только экспериментально измерены, но и вычислены с достаточной для практики точностью. Для уменьшения размагничивающих вихревых токов в магнитопроводе необходимо уменьшать толщину пластин, которую следует выбирать в соответствии с выражением

где — толщина пластины; — удельное сопротивление материала магнитопровода; - длительность импульса; а — коэффициент пропорциональности.

Из приведенной формулы видно, что при коротких импульсах необходимая толщина пластин магнитопровода может быть весьма малой (0,05 мм и меньше). В настоящее время для трансформации импульсов длительностью с при высоких частотах их следования в ИТ используют сердечники из феррита — материала с весьма большим удельным сопротивлением и, следовательно, с пренебрежимо малыми потерями на вихревые токи. Необходимо отметить, что вихревые токи уменьшают величину индуктивности намагничивания и увеличивают тепловые потери в сердечнике.

Задачей проектирования ИТ является выбор и определение материала, типоразмера магнитопровода, числа витков, конструктивных габаритов обмоток, исходя из условий получения допустимых искажений импульсов и высоких значений техникоэкономических показателей. Материал, габариты, магнитопровода и число витков должны обеспечивать одновременное выполнение следующих условий:

Здесь

— активные сопротивления первой и второй обмоток, источника сигнала и нагрузки; — коэффициент заполнения сталью площади сечения магнитопровода , имеющего среднюю длину магнитной силовой линии .

Первое условие определяет допустимый спад вершины импульса, а второе обеспечивает отсутствие насыщения сердечника.

После окончания конструктивного расчета ИТ вычисляют величины и собственной емкости, определяющие искажение импульса в области малых времен, т. е., в частности, величину .

Отметим основные конструктивные особенности ИТ, являющиеся следствием стремления максимально уменьшить искажения импульса.

Так как величины пропорциональны квадрату числа витков, но величина индуктивности (в отличие от величины ) не зависит от магнитной проницаемости , то в ИТ стремятся использовать материалы с возможно большей величиной . Большая величина позволяет получить необходимую величину при меньшем числе витков и выполнить обмотки однослойными, равномерно распределенными по магнитопроводу.

Для уменьшения величины собственной емкости ИТ необходимо начала (концы) однослойных обмоток приближать друг к другу и отдалять высоковольтные обмотки от магнитопровода. Желательно также оставлять магнитопровод незаземленным.

Обычно в ИТ малой мощности используют тороидальные магнитопроводы с очень малым магнитным полем рассеяния. В вычислительной технике широко используются импульсные трансформаторы на магнитопроводах с прямоугольной петлей гистерезиса.

Для многих условий разработаны и спроектированы импульсные трансформаторы малой мощности, которые нормализованы и серийно выпускаются промышленностью.

Полное условное обозначение унифицированных трансформаторов состоит из букв русского алфавита, указывающих на его тип, и последующих цифр, характеризующих основные параметры. Применяют следующие буквенные обозначения: ТА — трансформатор питания анодных цепей; ТН — трансформатор питания накальных цепей; ТАН — трансформатор питания анодно-накальных цепей; ТПП — трансформатор питания устройств на полупроводниковых приборах; ТС — трансформатор питания бытовой аппаратуры; ТТ — трансформатор питания тороидальный, ТВТ — трансформатор входной для транзисторных устройств; ТОТ — трансформатор выходной для транзисторных устройств; ТМ — трансформатор согласующий маломощный; ТИ — трансформатор импульсный; ТИМ — трансформатор импульсный маломощный. Так, например, маломощный трансформатор питания электронной аппаратуры, который может подключаться к напряжениям 127 и 220 В с частотой питающей сети 50 Гц, имеет обозначение .