книги из ГПНТБ / Гольденберг Л.М. Импульсные и цифровые устройства учебник

дросселей, намотанных на ферритовые стержни диаметром 2 мм и

с более высокими значениями t3 и р диаметр сердечника и его длина больше указанных, например, диаметр — 20 мм, длина сер­ дечника-— 135— 160 мм.

1.7.ИМПУЛЬСНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

1.7.1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Импульсный трансформатор (ИТ) является трансформатором

сферромагнитным сердечником (рис. 1.30); он используется для:

—изменения (увеличения или уменьшения) амплитуды им­ пульсов;

—изменения полярности импульсов;

—согласования сопротивлений;

—связи между каскадами импульсного усилителя;

—развязки по постоянному току источника импульсов и цепи нагрузки и др.

Основное требование, предъявляемое к ИТ,— передача им­ пульса без искажения формы. Наличие в реальном ИТ паразитных емкостей, индуктивности рассеяния, а также конечная величина индуктивности намагничивания приводят к большим или меньшим искажениям формы импульса. Следует отметить, что при передаче

сов, высокий кпд (для мощных трансформаторов). Трансформатор должен иметь возможно меньшие габариты. Для установления связи между параметрами трансформатора и искажениями транс­ формируемых импульсов воспользуемся его эквивалентной схемой.

1.7.2.ПАРАМЕТРЫ И ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА ИТ

Пусть к первичной обмотке трансформатора (рис. 1.30) прило­ жено некоторое напряжение u\(t). Если не учитывать активное сопротивление в цепи первичной обмотки, то согласно закону элек-

50

сцепляющийся с витками первичной обмотки.

Поток Ф почти полностью замыкается по сердечнику и сцеп­ ляется с витками w2 вторичной обмотки; поток рассеяния Ф3 (и соответственно индуктивность рассеяния Ls) в PIT мал (обычно ие более 5% общего потока) и в инженерных расчетах ие учиты­

обмотке і*2— th/Ru — nui/Rn.

Если предположить, что поток Ф распределен по сечению S сердечника равномерно, т. е. индукция В во всех точках сечения одинакова, то

Ф = BS, ul (t) = w1S

(1.57)

в(') = т ^ І"'Л + в*

о

Согласно закону полного тока в предположении, что напря­ женность поля И во всех точках средней линии / сердечника одина­

— намагничивающий ток.

Отношение Ф// = L называется индуктивностью намагничива­ ния. Нетрудно заметить, что практически индуктивность намагни­ чивания равна индуктивности первичной обмотки Д :

(1.59)

Действительно, при разомкнутой вторичной обмотке (в режиме холостого хода) магнитный поток Ф согласно ур-нию (1.56) ос­ тается при том же «1 таким, как и при работе с нагрузкой; по­ этому и в режиме холостого хода магнитная индукция В и про­ порциональная ей напряженность поля Н = Bj\i в сердечнике

51

сохраняют своп значения и, следовательно, сохраняет свое значе­ ние намагничивающий ток /. Вследствие этого отношение Ф// прак­ тически постоянно н равенство (1.59) справедливо.

Индуктивность намагничивания L зависит как от геометрии сердечника и числа витков іец, так и от магнитной проницаемости сердечника р. Например, для тороидального сердечника

Заметим, что индуктивность рассеяния можно определить экспериментально или расчетным путем. Так, например, для простой конструкции, в которой па тороидальном сердечнике однослойная вторичная обмотка намотана на одно­ слойную первичную той же длины

витков Ші необходимо уменьшать расстояние между обмотками, увеличивать длину обмотки и применять обмоточные провода возможно меньшего диаметра.

Емкость Со учитывает паразитные емкости между обмотками, а также ем­

или нескольких конденсаторов. Однако хорошее совпадение с экспериментом дает эквивалентная схема (рис. 1.31), в которой параллельно L включена одна, определяемая ниже, емкость С0. При таком включении Со амплитудно-частотная характеристика эквивалентной схемы может иметь подъем на высоких частотах, а при со -*■ оо стремится к нулю. Именно такой характер имеет амплитудночастотная характеристика реального трансформатора.

Более точные результаты исследования получаются, если емкость Со разде­ лить, включив одну ее часть между входными, а другую — между выходными

62

зажимами эквивалентной схемы. Однако такая эквивалентная схема оказа-- лась бы в большинстве случаев неоправданно сложной, тогда как схема рис. 1.31 дает обычно хорошее совпадение с экспериментом.

Величина емкости С0 должна быть такова, чтобы мгновенное значение за­ пасенной в ней энергии было равно мгновенному значению энергии электриче­ ского поля реального трансформатора. Емкость С0 можно измерить или рассчи­

(рис. І.32п). Если расстояние между обмотками мало по сравнению с толщиной* сердечника, что обычно имеет место, то два

Энергия, запасенная в емкости Со эквивалентной схемы, Wа = СоЕ2/2. При­ равняв Wo = W'12i получим

l)2. (1.62).

Аналогично можно определить значение Со для обмоток других типов и других способов их включения. Например, для трансформатора, изображенного на рис. I. 326, а, получим соответственно;

Во всех случаях следует выбрать такой тип обМоток и такой способ их со­ единения, при которых эквивалентная паразитная емкость Со получается

53,

меньшей. Так, из двух трансформаторов, изображенных на рис. 1.326, в, изме­ няющих полярность напряжения, меньшей емкостью С0 обладает трансформатор, изображенный па рис. I. 32е.

Рассмотрим теперь более подробно процесс импульсного перемагиичпвания сердечника.

Пусть 'Ui{t) — прямоугольные импульсы напряжения с ампли­ тудой ІІт и длительностью В таком случае согласно ф-ле (1.57) во время действия импульса индукция В нарастает по линейному

жающая магнитное состояние сердечника, переместится по основ­

равно #!. По окончании импульса напряженность поля постепенно уменьшается до нуля, а индукция вследствие гистеризиса изме­ няется до некоторого остаточного значения Вгі.

При воздействии следующего импульса приращение индукции будет снова АВ и по его окончании установится новое остаточное значение индукции Вл > Вг1. После воздействия нескольких им­ пульсов остаточная индукция в сердечнике достигнет значения Вг на предельной петле гистерезиса. Теперь очередные импульсы бу­ дут вызывать перемагничивание сердечника по частному циклу ОА. В стационарном режиме за время действия входного импульса индукция сердечника изменяется на величину АВ (от Вг до Вт =

ц д — AB/Нт.

54

Импульсная магнитная проницаемость р,д значительно мень­ ше статической проницаемости р = Вт/Нт, и поэтому импульсная индуктивность намагничивания ЬА оказывается значительно мень­ ше индуктивности намагничивания L, измеренной при воздействии на трансформатор напряжения симметричной формы.

Одиако для воспроизведения импульсов с малыми искажения­ ми всегда желательно иметь по возможности большую импульс­ ную индуктивность намагничивания. Как будет показано ниже, чем больше ЬА, тем меньше завал вершины передаваемого им­ пульса. Для получениябольших значений рд и LA следует при­ менять материал сердечника с возможно большим значением ДДмакс = Вз — Вг, где Bs — индукция насыщения.

Хороших результатов можно добиться путем создания в сер­ дечнике постоянного подмагничивающего поля Я см, смещающего начальную рабочую точку в область значений Я, обратных по зна­ ку тому полю, которое создает импульс (рис. 1.33, точка Р). При этом можно получить весьма значительный перепад индукции АВ за время действия импульса. Особенно эффективен этот ме­ тод при использовании материалов с прямоугольной петлей гисте­ резиса (ППГ), у которых насыщение наступает при небольших значениях Нт. В этом случае максимальное значение Д5маКс до­ стигает 2В„.

Другим фактором, влияющим на магнитное состояние транс­ форматора, является размагничивающее действие вихревых токов- в сердечнике. Его можно учесть заменой цд кажущейся магнит­ ной проницаемостью Цкаж (Цкаж < Цд) и соответствующей заменой ЬА кажущейся индуктивностью намагничивания Ькат(Ькаж < ЬА). Заметим, что экспериментально определяются всегда именно ка­

жущиеся величины Цкаж И ДкажДля уменьшения влияния вихревых токов сердечники наби­

раются из весьма тонких изолированных друг от друга пластин или навиваются из тонкокатаного ленточного материала, например пермаллоя. Хорошими качествами обладают сердечники из мар­ ганцево-цинкового феррита, удельное сопротивление которого весь­ ма велико (в ІО7 раз больше удельного сопротивления пер­ маллоя). Вследствие большого удельного сопротивления вихре­ вые токи невелики, и кажущаяся магнитная проницаемость цкажферритов достигает значений порядка 1000 для микросекундных импульсов, что превосходит значения цКаж для многих ленточных материалов. Кроме того, вследствие большого удельного сопро­ тивления феррита активные потери на вихревые токи в сердечнике малы.

1.7.3.ИСКАЖЕНИЯ ТРАНСФОРМИРУЕМЫХ ИМПУЛЬСОВ

Пусть ко входу импульсного трансформатора подключен гене­ ратор прямоугольных импульсов напряжения e(t) с амплитудой Е и длительностью tu. Внутреннее сопротивление генератора равно

Rr, а нагрузка трансформатора обладает входными сопротивле­ нием Ru и емкостью Сп (рис. 1.34а). Определим форму напряжения Ü2 {t) на выходных зажимах трансформатора.

Ф

Т____

Для этого воспользуемся эквивалентной схемой, изображенной на рис. 1.34 6. В ней сопротивление и емкость нагрузки пересчита­ ны к первичной обмотке. Если потери на вихревые токи значи­ тельны, то следует параллельно LKa)K включить сопротивление /?ь, учитывающее их.

Для определения u2 (t) следовало бы решить дифференциальное уравнение третьего порядка, описывающее схему рис. 1.34 6. Та­

-56

кой путь решения, а также исследование полученных результатов оказываются весьма трудоемкими. Для упрощения задачи рас­

что ток / в индуктивности намагничивания возрастает незначи­ тельно и поэтому можно положить ветвь Z-каж разомкнутой (рис. 1.34в). Полученная схема представляет собой последователь­ ный контур RrLsC, причем емкость С = Со + С(, (С'а — емкость С„, пересчитанная к первичной обмотке) шунтирована активным сопротивлением R'u. Этот контур возбуждается идеальным вход­ ным перепадом напряжения Е. Напряжение «2 на выходе стремит­

выходного импульса определяются двумя параметрами: величи­ ной коэффициента затухания

Оптимальное значение б близко к 0,7. При этом амплитуда вы­ броса составляет всего 4% установившегося значения Д2!/, а дли­ тельность фронта

выходного импульса необходимо иметь малое значение произве­ дения LSC. При этом для получения хорошей формы фронта необ­ ходимо рационально выбрать и отношение LJC, так как величи­

фронта всего на 25%• Величину р можно менять в широких пре­ делах изменением толщины d изоляции между обмотками, так как Ls пропорциональна, а емкость между обмотками — обратно про­ порциональна d. При этом произведение LSC меняется мало.

57

Из ф-лы (1.65) следует также, что с увеличением коэффи­ циента трансформации п растет и длительность нарастания вы­

нальна ]/С , то, следовательно, пропорциональна п. Если при уве­ личении числа витков w2 геометрия трансформатора меняется так,

Величина £ относительного снижения вершины за время ИМ- пульса

Для получения малого снижения вершины необходимо иметь большое значение кажущейся индуктивности намагничивания LKаж. Кажущийся ток намагничивания /каж за время действия импульса возрастает до величины

68