1.11.4 Импульсные трансформаторы

Импульсными трансформаторами называют специальный тип трансформатора, который служит для трансформации кратковременных импульсов напряжения приблизительно прямоугольной формы длительностью порядка нескольких микросекунд и менее, периодически повторяющихся с частотой примерно 500-2000 Гц или более. В некоторых случаях частота следования импульсов может быть значительно выше указанной. Импульсные трансформаторы находят широкое применение в устройствах автоматики, электроники и связи, выполняются они двух- и многообмоточными. При помощи их осуществляется изменение амплитуды импульсов и полярности, согласование сопротивлений и связь между отдельными каналами импульсных устройств, исключение из цепей нагрузки постоянной составляющей тока.

Импульсные трансформаторы должны удовлетворять требованию возможно меньшего искажения передачи формы трансформируемых импульсов напряжения. Искажение формы этих импульсов обусловливается возникновением в трансформаторах паразитных переходных процессов вследствие наличия в них емкостей и индуктивностей рассеяния обмоток. Эти параметры обмоток являются значительным препятствием прохождению через трансформатор очень коротких импульсов напряжения.

Для уменьшения искажения формы трансформируемых импульсов напряжения трансформатор должен обладать линейными характеристиками и иметь постоянную времени, близкую к нулю (рисунок 1.27).

Рисунок 1.27 – Переходные процессы в импульсном трансформаторе (а)

и его схема замещения (б)

Линейность характеристик обеспечивается путем уменьшения индукции в сердечнике. Чтобы при этом не возрастало сильно его поперечное сечение, при изготовлении сердечника применяют материалы с повышенной магнитной проницаемостью: специальную высоколегированную трансформаторную сталь, железо-никелевые сплавы и др. Одновременно этим достигается уменьшение вихревых токов, искажающих форму импульсов. Для уменьшения постоянной времени обмотки размещают таким образом, чтобы индуктивности рассеяния у них были минимальными. При этом отмеченная постоянная времени должна быть возможно меньшей по сравнению с длительностью самого импульса, чтобы искажение последнего было минимальным. Например, при длительности импульса t_И = 1 мкс постоянная времени не должна быть больше величины 0,03 мкс, так как она определяет длительность фронта трансформируемого импульса напряжения.

В импульсных трансформаторах на качество передачи сигналов значительное влияние оказывают емкостные связи между обмотками и витками обмотки, которые в схеме замещения (рисунок 1.27, б) приближенно учитываются введением параллельно намагничивающему контуру ветви, содержащей емкость С.

Принцип действия импульсного трансформатора представляется в следующем виде. Если к первичной обмотке его подводится прямоугольный импульс напряжения u₁ = U₁ = const, то скорость изменения магнитной индукции в сердечнике трансформатора должна быть постоянной, так как

u₁ ≈ – Q_C = const. (1.73)

Следовательно, индукция в сердечнике B_C = f(t) должна нарастать во времени по линейному закону (рисунок 1.27, а).

Приращение магнитной индукции (T_л) в сердечнике трансформатора определяется по формуле

, (1.74)

где w₁ – число витков первичной обмотки;

Q_C – поперечное сечение стержня сердечника, см²;

U₁ – амплитуда импульса первичного напряжения, В;

t – время, мкс.

При линейном нарастании во времени индукции в сердечнике намагничивающий ток i_μ импульсного трансформатора за время действия импульса напряжения также нарастает по линейному закону.

К моменту окончания действия импульса напряжения t = t_И приращение индукции в сердечнике достигает величины

. (1.75)

За счет изменения индукции во вторичной обмотке импульсного трансформатора индуктируется ЭДС практически прямоугольной формы с амплитудой E₂,

Q_C ≈ const. (1.76)

Так как трансформатор не позволяет передавать постоянную составляющую напряжения u₁, то после завершения входного импульса на вторичной обмотке трансформатора формируется ЭДС противоположной полярности, для устранения влияния которой параллельно вторичной обмотке включают резистор с диодом.

В реальном импульсе вторичной обмотки передний фронт имеет уменьшенную крутизну, имеется также срез импульса.

Нагрузкой импульсного трансформатора обычно является нелинейное сопротивление, имеющее приблизительно активный характер. Нелинейный характер сопротивления нагрузки за время действия импульса напряжения сравнительно мало влияет на переходные процессы в трансформаторе, поэтому данное сопротивление практически можно принимать активным. Ввиду такого характера нагрузки отдаваемая вторичной обмоткой импульсного трансформатора мощность обычно измеряется в ваттах или киловаттах.

Габаритные размеры и масса импульсных трансформаторов, несмотря на пониженное значение индукции в сердечнике, обычно невелики. Объясняется это тем, что время импульса t_И, как правило, весьма мало по сравнению с периодом следования импульсов T и представляется возможным значительно увеличивать допускаемую плотность тока в обмотках трансформатора без опасности недопустимого повышения температуры в них. При этом длительность импульса t_И измеряется микросекундами, а период T – миллисекундами, так что отношение (t_И / T) составляет величину порядка 10^-3.

В импульсных трансформаторах малой мощности отдаваемая вторичной обмоткой мощность в импульсе находится в диапазоне от нескольких десятков ватт до нескольких сотен киловатт.

Средняя отдаваемая мощность (Вт) импульсного трансформатора

, (1.77)

где – мощность вторичной обмотки трансформатора в импульсе, Вт;

– частота следования импульсов, Гц;

– длительность импульса напряжения, с.

Величина << , например, = 10 кВт, = 10 Вт при = 1 мкс, = 1000 Гц, U₁ = 500 В, U₂ = 2000 В.

Напряжения малых импульсных трансформаторов указанного диапазона мощностей могут быть в следующих пределах: низшее напряжение В; высшее напряжение В.

Токи первичной и вторичной обмоток в импульсе:

Эффективные или действующие значения токов первичной и вторичной обмоток I_1ЭФ, I_2ЭФ импульсного трансформатора определяются из условия, что потери в этих обмотках при прохождении через них коротких прямоугольных импульсов тока обусловливаются не только омическими сопротивлениями обмоток, но также явлением поверхностного эффекта в проводах и влиянием токов наводки в них. С учетом отмеченного I_1ЭФ << I₁, I_2ЭФ << I₂.