Рис. 12. Схема соединения обмоток трансформаторов с единичным коэффициентом трансформации
Если в схеме на рис.12 заменить двухобмоточные трансформаторы (рис.13а) короткими отрезками двухпроводной линии (рис.13б), то произойдет короткое замыкание как источника сигнала, так и нагрузки, поскольку в отличие от трансформатора потенциалы точек 1 и 1' в линии практически одинаковы. То же относится и к точкам 2 и 2'.
Чтобы устранить короткое замыкание, следует эту линию намотать на ферритовый сердечник (рис.13в).
Рис. 13. Эквивалентные схемы двухобмоточного трансформатора (а), отрезков двухпроводной |
|
линии (б) и двухпроводной линии с ферритовым сердечником (в) |
22 |
|
Тогда у нее, как и у обычного трансформатора, исчезнет жесткая связь потенциалов точек 1 и 1', а также 2 и 2', а разность потенциалов между точками 1 и 2 останется равной разности потенциалов между точками 1' и 2'. При этом (рис.13в) нагрузка R оказывается изолированной по переменному току от земли так же, как в схеме на рис.13а.
Докажем это. Изоляция точки 2' от земли означает, что включение любого генератора U' между точкой 2' и землей не приводит к появлению тока в цепи этого
генератора (рис.14). |
|
Этот источник создает |
одинаково |
|
|
||
|
направленные токи I1' и I2' в обоих проводах |
||
|
линии, которые в отличие от токов I1 и I2 |
||
|
генератора U, создадут внешнее поле линии и |
||
|
будут намагничивать феррит. |
|
|
|
Поэтому линия по отношению к источнику |
||
|
U' ведет себя как дроссель, индуктивность |
||
Рис. 14. Схема изоляции выхода |
которого |
пропорциональна |
магнитной |
трансформатора от «земли» |
проницаемости феррита . |
|
|
Наличие феррита не влияет на передачу энергии по линии от генератора U к нагрузке R, поскольку противоположно направленные и равные токи I1 и I2 не создают
поля в феррите.
При 102…104 токи I1' и I2', а также ток через генератор U' пренебрежимо малы
и практически не влияют на работу линии. Напряжение на ее выходе будет равно |
||
входному, а потенциал между точкой |
2' и землей равен U'. |
23 |
|
||
Сказанное позволяет предложить формальный способ построения широко- полосных трансформаторов ТЛ. Для этого следует составить схему с требуемым коэффициентом трансформации, используя обычные двухобмоточные трансформаторы с КU=1 (например, как на рис.12), а затем поменять их на ТЛ.
Требования к параметрам линии: ZW=3…150 Ом, частотные ограничения
по Н: |
Н LПР>10RВХ, |
Н LПР>10RН; |
|
|
|
|
|
|
|||
по В : |
длина линии lЭ<(0,1…0,2) В |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Схеме рис.12 будет соответствовать схема рис.15 с таким же коэффициентом |
|||||||||||
трансформации и параметрами: R |
ВХ |
=Z /N, R |
Н |
=NZ , |
R /R |
ВХ |
=N2, |
Z = (R R |
)0,5. |
||
|
|
Л |
Л |
Н |
|
Л |
Н |
ВХ |
|||
Соединив две обмотки последовательно, имеем автотрансформатор с коэффициентом трансформации, равным 2 (рис.16а). Заменяя обычный трансформатор на рис.16а отрезком линии с ферритом, получаем ТЛ с таким же коэффициентом трансформации (рис.16б).
Рис.15. Схема соединения трансформаторов на длинных линиях
R =Z /N, R |
Н |
=NZ , R /R |
ВХ |
=N2 |
|
|
ВХ Л |
|
Л Н |
|
|
||
Z = (R R |
)0,5, |
|
Рис.16. Схемы автотрансформаторов с магнитной (а) и |
24 |
||
Л |
|
Н |
ВХ |
|
электромагнитной (б) связями |
|
|
|
|
|
|
||
Существует множество вариантов соединения отрезков линий с ферритами - с дискретными коэффициентами трансформации, равными отношению любых целых чисел, с поворотом фазы на 180°, а также преобразующих симметричную нагрузку в
несимметричную и наоборот. Некоторые примеры ТЛ приведены на рис.17. |
||||||||
|
ZW=R |
|
|
|
R/2 |
ZW=R |
R/2 |
ZW=R |
|
|
|
ZW=R |
R |
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
R |
R |
|
R |
|
|
R |
|
Рис.17. Эквивалентные схемы фазоинвертора (а) и фазорасщепителей (б, в, г)
Целый спектр схем с трансформаторами на линиях разного типа (коаксиальных, двухпроводных и др.) и их конструктивных вариантов приведен в книге «Справочное пособие по ВЧ схемотехнике» Рэда.
ZW=R
R 
R
Фазоинвертор на КЛ
25
Схемы двух симметрирующих трансформаторов на линиях с коэффициентом трансформации сопротивлений 1:4.
Обратимость входов и выходов схем.
Схема симметрирующего трансформатора на линиях и расположение обмоток на |
|
тороидальном сердечнике с коэффициентом трансформации сопротивлений 1:1/4 |
26 |
ZЛ= (RНRВХ)0,5=R(0.5*1)0,5=0,707R Схемы 0°-гибридных ответвителей с двумя расщепляющими цепями.
|
|
|
|
Схемы двух 0°-гибридных ответвителей с четырьмя |
|
||
расщепляющими цепями с одинаковыми входными и |
27 |
||
|
выходными сопротивлениями. |
||
|
|
||
RВЫХ =9RВХ
RВХ
ZW1=ZW2=ZW3=3RВХ
9:1
Межкаскадная цепь согласования на трансформаторе из трех линий, включенных на входе последовательно, а на выходе – параллельно.
28
Рис.18. Схема двухтактного широкополосного усилителя с ТЛ для диапазона 3... 30 МГц
UВХ/2 UВХ/4
UВХ
По R: 16:1 По U: 4:1
В двухтактном ШПУ с ТЛ (рис.18) трансформаторы Тр1 и Тр2 имеют общий
коэффициент трансформации по U, равный 4 (по сопротивлению в 16 раз). Трансформаторы Тр3 и Тр4 создают противофазное напряжение возбуждения.
Цепи RlR2C1 выполняют функции коррекции спада транзисторов в верхней части
диапазона и приближенное согласование во всем рабочем диапазоне частот на входах трансформаторов Тр3 и Тр4. Конденсаторы С2 и С3 разделительные. Трансформатор Тр5
необходим при режиме класса В для попеременного замыкания выходной цепи, так
как в любой момент времени один из транзисторов закрыт. Общая точка обмоток Тр5 |
|
заземлена. Тр6 преобразует несимметричную нагрузку RП в симметричную. |
29 |
Волновые сопротивления линий всех трансформаторов в оптимальном случае должны быть согласованы с сопротивлением их нагрузок. Однако даже при комплексной нагрузке, когда неизбежны отражения в линиях, образующих ТЛ, частотные характеристики ТЛ оказываются более равномерными, чем у обычных трансформаторов.
Рассмотрены простейшие ТЛ. Их нижняя рабочая частота ограничена конечным значением магнитной проницаемости феррита . Для расширения рабочего диапазона ТЛ в области низких частот применяют корректирующие элементы, конденсаторы и дополнительные симметрирующие обмотки.
Для расширения возможностей трансформации сопротивлений схем на линиях можно использовать параллельное и (или) последовательное соединений симметричных и коаксиальных линий, а также использование линий в виде скрученных между собой проводов.
30
31