книги из ГПНТБ / Поне Ю.П. Расчет и конструирование аппаратуры проводной связи учеб. для техникумов
.pdfРассмотрим, как влияет изменение величины индукции на потери в трансформаторе при неизменности его габаритов и мощ ности, снимаемой со вторичной обмотки.
Когда сердечник из магнитного материала находится в пере менном магнитном поле, то часть энергии этого поля рассеивается в сердечнике. Эти потери складываются из потерь на вихревые
токи и потерь |
на гистерезис (перемагничивание). П о т е р и |
н а |
в и х р е в ы е |
т о к и зависят от удельного сопротивления |
ма |
териала сердечника и от частоты. Чтобы уменьшить их, сердеч
|
|
|
|
ники |
изготовляют |
из |
специальных |
|||||
|
|
|
|
трансформаторных |
сталей с большим |
|||||||
|
|
|
|
удельным |
|
сопротивлением. |
Кроме |
|||||
|
|
|
|
того, учитывая, что чем выше ча |
||||||||
|
|
|
|
стота, тем больше |
потери |
на |
вихре |
|||||
|
|
|
|
вые |
токи, |
сердечники |
трансфор |
|||||
|
|
|
|
маторов, |
работающих |
|
на |
высоких |
||||
|
|
|
|
частотах, |
собирают из |
тонких пла |
||||||
|
|
|
|
стин, |
изолированных |
друг от друга. |
||||||
|
|
|
|
П о т е р и |
|
н а |
г и с т е р е з и с |
|||||
Рис. 8.12. Зависимость |
потерь |
пропорциональны |
площади |
кривой |
||||||||
Р в трансформаторе от величины |
гистерезиса. |
Величина |
этих |
потерь |
||||||||
индукции |
Вт |
|
зависит от индукции |
в |
сердечнике: |
|||||||
1 — потери |
стали; |
2 — потери |
чем больше |
индукция, |
тем |
больше |
||||||
в меди; 3 |
суммарные |
потери |
потери. |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Свойства материала оценивают у д е л ь н ы м и |
|
п о т е р я м и |
||||||||||
в с т а л и |
Рс УД' которые представляют собой суммарные |
потери |
на вихревые токи и гистерезис при заданной частоте поля и вели чине индукции. Величина удельных потерь некоторых электро технических сталей была приведена в табл. 8- 5 для определенных значений индукции В, частоты f и толщины пластин.
Зависимость удельных потерь от индукции можно с достаточ
ной |
для практики |
степенью точности представить выражением |
||||||
|
|
|
|
Р с . у д |
= аЯ* , |
(8.22) |
||
где |
а — числовой |
коэффициент; |
х = 2 ~- 3. |
|
||||
О б щ и е |
п о т е р и |
в стали |
будут равны |
|
||||
|
|
|
|
Рс = Рс, mG |
Вт, |
(8.23) |
||
где |
G — масса |
сердечника, кг. |
|
|
|
|
||
Из этой формулы следует, что Рс |
пропорциональны |
Вх. |
||||||
Зависимость потерь в стали Рс |
от |
индукции изображена на |
||||||
рис. 8.12 кривой /. |
|
|
|
|
|
|||
При протекании тока |
по обмоткам трансформатора часть под |
веденной к нему мощности рассеивается в виде тепла в проводе обмоток. Рассеиваемая в обмотках мощность (потери в меди) может быть определена по формуле
(8.24)
^п
210
где / — ток, текущий через обмотку, А; ч — сопротивление об мотки, Ом; р — удельное сопротивление провода, Ом-мм2 /м; / — длина провода обмотки, м; Sn— поперечное сечение провода обмотки, мм2 . Длину провода обмотки можно найти по формуле (8.20). Площадь поперечного сечения проводника обмотки
5 п = 4 г , |
(8.25) |
где 5 0 — часть площади окна трансформатора, занимаемая медью обмотки; w — число витков обмоток. Подставляя значение / и Sn в формулу (8.24) и, учитывая, что w2 = nwx, после преобра зований получаем
|
|
|
|
Pu~w\. |
|
(8.26) |
|
Но из формулы |
(8. 21) |
следует, |
что |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
(8.27) |
Поэтому |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(8.28) |
Зависимость |
Р м |
от Вт |
изображена |
на рис. 8. |
12 кривой 2. |
||
Суммарные потери в меди и стали магнитопровода |
изображены |
||||||
на рис. 8.12 |
кривой |
3- |
Существует такое |
значение |
индукции, |
при котором потери в трансформаторе имеют минимальное зна чение.
Величина индукции, при которой потери имеют минимальное значение, зависит от свойств стали и частоты питающего напряже ния.С увеличением удельных потерь в стали или частоты возрастают суммарные потери в стали, и кривая / на рис. 8.12 располага ется левее, т. е. минимум потерь в трансформаторе наблюдается при меньшем значении индукции. Однако суммарные потери в ряде случаев не имеют существенного значения, важнее бывает создать трансформатор с минимальным нагревом обмотки.
Н а г р е в о б м о т к и зависит не только от суммарной мощности, рассеиваемой в трансформаторе, но и от распределения ее между сердечником и обмоткой, от условий теплоотдачи, от теплопроводности изоляционных материалов, от толщины на мотки и других факторов.
Поэтому значения индукции зависят и от размеров трансфор матора, которые в свою очередь связаны с мощностью, снимаемой со вторичных обмоток. Значениями индукции, при которых на грев обмоток минимален, и следует задаваться при проектирова нии трансформаторов.
Зависимость рекомендуемых значений Вт от суммарной мощ ности 2 Р2 для наиболее употребительной из электротехнических сталей (Э310) приведена на рис. 8.13.
14* |
211 |
Выбор размеров магнитопровода. При заданных физических свойствах проводниковых и магнитных материалов и частоте тока
существует следующая взаимосвязь между размерами |
трансформа |
||
тора (магнитопровода), снимаемой с трансформатора |
мощностью |
||
и |
температурой |
перегрева: если температура перегрева задана, |
|
то |
каждому из |
типоразмеров магнитопроводов должна соответ- |
10 |
20 |
50 |
100 |
200 |
500 2Рг,В-А |
|
20 |
50 100 |
200 |
|
5001Рг,ВА |
|||||
Рис. 8.13. |
График |
для |
выбора |
Рис. 8.14. Зависимость плотности |
тока |
|||||||||||
индукции |
Вт |
в зависимости |
от |
/ от суммарной мощности трансформа |
||||||||||||
суммарной |
мощности трансфор |
тора ^ Р г > |
снимаемой |
со |
вторичных |
|||||||||||
матора |
^ |
Р 2 , снимаемой со вто |
|
|
|
обмоток |
|
|
|
|
||||||
ричных |
обмоток |
при |
50 Гц |
|
1 |
— при / = |
50 |
Гц; 2 |
— при |
/ |
= 400 Гц |
|||||
/ ~ штампованный магнитопровод; |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
2 — витой |
магнитопровод |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
ствовать |
вполне |
определенная |
м а к с и м а л ь н о |
|
д о п у с |
|||||||||||
т и м а я |
|
м о щ н о с т ь , |
снимаемая |
со |
вторичных |
обмоток. |
||||||||||
П л о т н о с т ь |
т о к а |
/ |
определяет |
к. п. д., |
потери |
в об |
мотках, внутреннее падение напряжения и размеры трансформа тора. Чем больше, плотность тока, тем меньше размеры трансфор матора, но ниже его к. п. д. и больше внутреннее падение на пряжения. При большой плотности тока может наступить недо пустимый перегрев трансформатора и будет наблюдаться большое
внутреннее падение |
напряжения. |
|
|
|
||||
В маломощных |
трансформаторах |
плотность тока выбирают |
||||||
с учетом |
перегрева |
обмотки |
и внутреннего |
падения |
напряжения. |
|||
На |
рис |
8.14 |
изображены |
кривые рекомендуемых |
средних зна |
|||
чений плотности тока в зависимости от ^ |
Р2, |
при которых темпера |
||||||
тура |
перегрева |
не превышает 50° С. |
|
|
|
Расчет числа витков обмотки. Магнитный поток, замыкающийся через магнитопровод и пронизывающий первичную и вторичную
обмотку, индуцирует в |
них э. д. с. Е. |
|
Для любой обмотки трансформатора справедливы |
следующие |
|
соотношения: |
|
|
Е = |
i,UfwScBm-10~8. |
(8.29) |
От напряжения Ulf подводимого к первичной обмотке, и от напряжения U2, снимаемого со вторичной обмотки, эти э. д. с отличаются на величину падения напряжения на обмотке. Для
212
первичной обмотки |
£/х |
= £ \ — 1ггх, |
для вторичной и2 |
= Ег + |
|||
-\-I2rv |
Обозначая lT |
= |
At/, получаем: |
|
(8.30) |
||
|
|
|
|
и г)' |
|
||
|
|
|
|
A |
U |
|
|
|
|
£ 2 |
= L / 2 |
( l 4 A t / |
|
|
|
|
|
|
|
|
) •! |
|
|
Величина внутреннего падения AU зависит от плотности |
тока |
||||||
и размеров трансформатора, |
т. е. от его мощности. На |
рис. |
8.15 |
изображена зависимость внутреннего падения напряжения, вы
раженного |
в |
процентах к |
номинальному |
напряжению |
обмотки, |
|||||
от 5 J P 2 . |
С |
учетом выражений |
iu/u,% |
|
|
|
|
|||
(8.30) число |
витков любой обмотки |
|
|
|
|
|||||
|
V |
|
|
|
||||||
равно: |
|
|
|
9 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
ь |
(8.31) |
|
\ |
|
|
|
|
|
|
|
4№fBnSc |
|
|
|
|
|
|
|
|
Значение коэффициента |
k |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
Таблица 8.7 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
При /, |
Гц |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
50 |
400 |
|
|
|
f**0</r - |
|||
10—50 |
|
1,75 |
1,35 |
|
20 |
50 |
100 200 |
|
5001Р2,В-А |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
50—150 |
|
1,25 |
1,23 |
Рис. 8.15. Зависимость внутреннего |
||||||
150—300 |
|
1,15 |
1,1 |
падения |
напряжения |
в |
обмотках |
|||
|
трансформатора AU/U от его сум |
|||||||||
300—1000 |
1,14 |
1,07 |
||||||||
|
марной |
мощности |
^ |
Р 2 |
Определение тока первичной обмотки. Для ориентировочного определения тока первичной обмотки следует пользоваться фор мулой
Л = |
"'la' |
(8.32) |
|
где 1'\а — составляющая тока первичной обмотки, зависящая от токов вторичных обмоток; k — коэффициент, учитывающий уве личение тока вследствие потерь. Ориентировочные значения k приведены в табл. 8.7. Значения тока 1{а можно найти по выра жению
|
|
1 - ^ - 4 - |
I |
и„ |
(8.33) |
|
у 1 а Ч |
Ux |
— |
||||
1 з и, |
+ |
|
|
|
||
где / 2 , . . . , / „ — токи |
вторичных |
обмоток; |
£/2 , |
, Un — на- |
||
пряжение вторичных обмоток. |
|
|
|
|
213
По найденному значению тока и выбранному значению плот ности тока можно определить диаметр провода для каждой об мотки.
d= |
1,13 "[/" - у - |
(8.34) |
Значение d определится |
в миллиметрах, |
если ток I взят в ам |
перах, а плотность тока / — в амперах на квадратный милли метр.
Вслед за этим нужно подобрать марку провода, найти бли жайший выпускаемый промышленностью диаметр его и опреде
лить диаметр провода в |
изоляции, после чего можно |
произвести |
расчет размещения обмоток. |
|
|
Тепловой режим трансформатора. Этот режим оценивают |
||
температурой перегрева |
катушки |
|
|
At = t r - t 0 K p , |
(8.35) |
где tr— температура нагрева обмоток трансформатора; tOKp— температура окружающей среды. Поскольку температура пе регрева различна в различных точках катушки, оперируют не которой средней величиной At. В общем случае
|
A t = |
, |
(8.36) |
где Р м + Рс |
— сумма потерь в меди и стали, Вт; S — поверхность |
||
теплоотдачи, |
см2 ; k—коэффициент |
теплоотдачи, |
Вт/(см2 -град). |
Поверхность теплоотдачи 5 является величиной постоянной для каждого типоразмера трансформатора и может быть вычислена по его геометрическим размерам. Коэффициент теплоотдачи k зависит от отделки поверхности трансформатора, от соотношения мощностей, рассеиваемых в обмотке и в сердечнике, и опреде ляет количество ватт, отдаваемых с единицы поверхности трансфор матора при перегреве на 1°С. Введем обозначение kS = kT, определяющее количество ватт, отдаваемых со всей поверхности трансформатора при перегреве на 1 ° С
Величину потерь в стали можно подсчитать по выражению (8.23), определяя значение Рс у д по кривой / рис. 8.12.
Величину потерь в меди для каждой обмотки при известном падении напряжения на обмотке AU можно определить, поль зуясь выражением
Ры=%1Аи, |
(8.37) |
где / — ток, протекающий через обмотки.
Если температура перегрева катушки At, определенная по выражению (8.36), окажется больше допустимой для использу емых материалов, то применяют более теплостойкие изоляцион ные материалы или же заново рассчитывают трансформатор, увеличив размер магнитопровода.
214
Таблица 8.8
Сравнение вариантов интегральных микроузлов, выполненных на базе твердых схем и тонких пленок
Вариант |
|
Достоинства |
|
|
Недостатки |
||
исполнения |
|
|
|||||
схемы |
' |
|
|
|
|
|
|
Тонкие |
1. |
Возможность |
изго |
1. |
Возможность изготовления толь |
||
пленки |
товления термостабиль |
ко пассивных |
элементов |
||||
|
ных |
резисторов и |
кон |
2. |
Высокие |
требования к поверх |
|
|
денсаторов с |
жесткими |
ности |
подложки |
|||
|
допусками |
|
|
3. Большие затраты труда при из |
|||
|
2. |
Малая |
величина |
готовлении гибридных схем с добавле |
|||
|
помех |
|
|
нием |
навесных |
элементов |
3.Хороший теплоот-
вод
4.Потенциальная возможность полной автоматизации произ водства
Твердые |
1. |
Возможность |
при |
1. |
Трудности создания схем с допу |
|||
схемы |
менения отработанных |
стимым разбросом |
параметров |
|
||||
|
технологических |
при |
2. |
Невозможность |
получения |
емко |
||
|
емов |
полупроводнико |
стей |
больших |
номиналов |
|
||
|
вого |
производства |
|
3. |
Наличие |
паразитных связей меж |
||
|
|
|
|
ду элементами |
|
|
|
|
|
|
|
|
4. |
Низкая |
температурная |
устой |
|
|
|
|
|
чивость элементов |
|
|
||
|
|
|
|
5. |
Ограниченность размеров |
крем |
||
|
|
|
|
ниевой подложки |
|
|
боры) и г и б р и д н ы е п о л у п р о в о д н и к о в ы е с х е м ы , в,которых большая часть элементов выполнена методами полупро водниковой технологии, а часть элементов (обычно R или С) образована на поверхности полупроводников методами пленочной технологии.
На рис. 8.19 приведена классификация направлений миниа тюризации.
Когда в процессе конструирования электронной аппаратуры приходится решать вопрос о выборе того или другого метода микроминиатюризации, обычно руководствуются следующими кри териями оценки (в порядке их важности): надежность, техноло гичность, габариты, стоимость, приспособленность к конкретным
условиям |
эксплуатации, ремонтопригодность. |
Однако возможен |
и другой |
состав критериев и иной порядок |
их расположения, |
диктуемый требованиями, поставленными перед разработчиками, производственными возможностями и целым рядом привхо дящих обстоятельств.
217
§ 8.8. Интегральные схемы
Среди большого количества различных интегральных схем (ИС), выпускаемых в настоящее время промышленностью, наи более перспективны п о т е н ц и а л ь н ы е с х е м ы . Они весьма выгодны в производственном отношении, так как откры вают принципиальную возможность построения схем без ис пользования реактивных элементов (L и С), получение которых в виде достаточно малых по габаритам и надежных в эксплуатации составных частей монолитных ИС весьма затруднительно.
Рис. 8.20. Основные разновидности интегральных схем
Классификация. Потенциальные ИС можно классифицировать по нескольким признакам, но здесь мы ограничимся классифика цией лишь по одному, наиболее важному признаку, а именно, по виду компонентов, с помощью которых непосредственно выпол няются логические операции. В этом отношении различают схемы
с транзисторной |
(сокращенно |
ТЛ), диодно-транзисторной (ДТЛ) |
и резисторно-транзисторной (РТЛ) логикой. |
||
На рис. 8.20 |
приведены |
простейшие варианты интегральных |
схем. Количество входов в каждую ИС принято равным трем, хотя в действительности оно может меняться в широких пределах. Количество источников питания также сведено к минимуму для
каждой схемы. |
подразделяются по виду связи |
между |
схемами |
||||
С х е м ы |
с ТЛ |
||||||
на следующие группы: а) схемы с непосредственными |
связями |
||||||
(НСТЛ), рис. 8.20, а; б) схемы с резисторными связями |
(РСТЛ), |
||||||
рис. 8.20, б; в) схемы с резисторно-конденсаторными |
связями |
||||||
(РКТЛ), рис. 8.20, |
в. |
|
|
|
|
||
По |
виду |
объединяемых |
(связанных) электродов |
транзисторов |
|||
схемы |
с ТЛ |
подразделяются |
на следующие группы: а) схемы |
||||
со связанными коллекторами, |
рис. 8.20, а,б,в\ схемы со |
связан |
|||||
ными |
эмиттерами (СЭТЛ), |
рис. |
8.20, г. |
|
|
219