Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Пассивные элементы электроники. Учебное пособие
.pdf
сравнению с другими дросселями при прочих равных условиях. У та-
f
ких дросселей минимально влияние внешних магнитных помех, но изза необходимости точно изготавливать половинки сердечника сложной
формы они самые дорогие.
В радиотехнике также применяются ферритовые двухотверстные
сердечники –
«бинокли» (рис. 1.29, д). Обмотку пропускают через оба
отверстия «бинокля» так, что она наматывается вокруг перемычки
между отверстиями.
Характеристики дросселя во многом зависят от выбранной марки
материала сердечника (табл. 1.11). Так, в продаже имеется большое
количество сердечников из ферритов разных типов. Если говорить об
отечественных ферритах, то они в первую очередь определяются
начальной магнитной проницаемостью
(измеряется на низкой
i
частоте). С ростом частоты магнитная проницаемость снижается, а потери в магнитопроводе растут. Поэтому для всех ферритов существует
критическая частота
Низкочастотные ферриты имеют высокую
ется с ростом частоты. ВЧ-ферриты, напротив, обладают низкой
, ограничивающая область их применения.
кр
, которая быстро снижа-
i
i
которая, однако, сохраняется в широком диапазоне частот. При достижении температуры Кюри
()T
ферромагнитный материал резко
Ku
утрачивает свои свойства (до того момента, пока снова не остынет).
Таблица 1.11
Основные параметры некоторых отечественных ферритов
,
Марка феррита μ
30ВН 30 200 105 450
50ВН 50 70 104 450
100ВН 100 30 107 300
400НН 400 3,5 103 120
700НМ 700 5 20 240
1500НМ 1500 0,6 0,5 200
2000НМ 2000 0,5 0,5 200
6000НМ 6000 0,05 0,1 110
fкр, МГц
i
51
, Ом·м
ТKu, °С
С точки зрения конструктивного оформления катушки индуктив-
L
X
ности и дроссели выпускаются
(SMD катушки индуктивности). Катушки индуктивности для
тажа
для навесного и поверхностного мон-
навесного монтажа по внешнему виду могут быть похожи на резисторы для навесного монтажа или на конденсаторы. Катушки индуктивности для поверхностного монтажа сложнее перепутать с резисторами,
так как они и длиннее, и толще. Маркировка дросселя может быть
цифробуквенной и цветовой. Для дросселей навесного монтажа
наиболее распространена цифровая маркировка. Она во многом похожа на
аналогичную маркировку резисторов.
Дополнительными параметрами
катушек индуктивности явля-
ются:
– добротность;
– температурный коэффициент индуктивности (ТКИ).
Добротность катушки индуктивности определяет отношение
между реактивным
Добротность определяется по формуле
и активным R сопротивлением катушки.
QX R
/
, где R – соб-
L
ственное омическое сопротивление катушки индуктивности. Практически добротность лежит в пределах от 30 до 200. Чем выше добротность, тем меньше потери энергии в катушке. Так же как и для конденсаторов, для катушек существует понятие
тангенса угла потерь,
но не в электрическом поле диэлектрика, а в магнитном поле магнитопровода.
Повышение добротности достигается: оптимальным выбором
диаметра провода, увеличением размеров катушки индуктивности,
применением сердечников с высокой магнитной проницаемостью и
малыми потерями, изменением вида намотки, применением посеребренного провода либо многожильного изолированного провода (
цендрата
) для снижения потерь, вызванных скин-эффектом.
лит-
Скин-эффект – эффект уменьшения амплитуды электромагнитных
волн по мере их проникновения в глубь проводящей среды. В результате этого эффекта переменный ток высокой частоты при протекании
по проводнику распределяется не равномерно по сечению, а преимущественно в поверхностном слое провода, что повышает сопротивление провода на переменном токе.
52
1.7. Трансформаторы
Трансформатор – пассивный элемент, способный преобразовывать
параметры переменного электрического тока. Конструктивно и по
условному графическому обозначению трансформатор похож на катушку индуктивности (рис. 1.30). Он имеет сердечник (ферромагнитный или
воздушный) и не менее двух катушек индуктивности (обмоток). Катушка, на которую подается сигнал, называется
тушка, с которой сигнал снимают, –
вторичной обмоткой.
Если обмотки гальванически связаны между собой и при этом вторичная обмотка является частью первичной, то такой трансформатор
называется
автотрансформатором. Достоинство автотрансформато-
ра – меньший расход провода на обмотку и более высокая мощность
при таком же сердечнике, как у трансформатора. Недостаток – отсутствие гальванической развязки между обмотками.
Условные графические обозначения трансформаторов с ферромагнитными сердечниками показаны на рис. 1.30.
Рис. 1.30. Условные графические обозначения
трансформатора и автотрансформатора
первичной обмоткой. Ка-
Работа трансформатора основана на двух основных принципах.
1. Переменный ток в первичной обмотке создает изменяющееся во
времени магнитное поле.
2. Вторичная обмотка находится в переменном магнитном поле и
на ее концах возникает ЭДС, характер изменения во времени у которой
во многом совпадает с законом изменения магнитного поля.
Устройство трансформатора показано на рис. 1.31. Каждый виток
обмотки, по которой протекает переменный ток, порождает перемен-
магнитный поток. Полный магнитный поток, порождаемый ка-
ный
тушкой, определяется
найти по формуле
потокосцеплением. Потокосцепление можно
N
i
1
iN
, где N – число витков; – маг-
нитный поток, порождаемый отдельным витком.
53
Исходя из этой формулы можно сделать вывод, что напряжение на
концах вторичной обмотки будет также пропорционально числу витков. Мощность магнитного потока может быть определена по формуле
2
/2WLI , где L, I – индуктивность и ток в любой обмотке транс-
форматора.
Рис. 1.31. Устройство трансформатора
с замкнутым магнитопроводом
Так как магнитный поток имеет одинаковое значение для обеих
обмоток, то в случае уменьшения числа витков во вторичной обмотке
произойдет уменьшение индуктивности, которое должно быть компенсировано увеличением тока, полученного из вторичной обмотки. При
увеличении числа витков во вторичной обмотке ситуация будет обратной: индуктивность увеличится, а максимальный получаемый ток
уменьшится
трансформаторе) можно считать, что
. В первом приближении (если пренебречь потерями в
отношение напряжений в пер-
вичной и вторичной обмотках пропорционально отношению числа
витков в них, а отношение токов обратно пропорционально отношению числа витков.
Если напряжение во вторичной обмотке меньше чем в первичной,
такой трансформатор называют
шающим
. Существуют трансформаторы с одинаковым числом витков
понижающим, если больше – повы-
в обмотках. Об использовании таких трансформаторов будет сказано
ниже. Из приведенного выше отношения напряжений и токов следует,
что повышающий трансформатор все равно является
пассивным
54
устройством: несмотря на то что напряжение во вторичной обмотке
больше, чем в первичной, ток, который через нее протекает, меньше
тока в первичной обмотке. Это значит, что
трансформатора не увеличивается.
КПД современных трансформато-
мощность на выходе
ров лежит в диапазоне 0,7…0,9, т.е. на самом деле выходная мощность
трансформатора несколько меньше мощности, потребляемой им из
сети.
Классификация трансформаторов может осуществляться по различным признакам. Наиболее наглядно разделение трансформаторов
по их назначению на пять основных групп:
– сигнальные трансформаторы;
– силовые трансформаторы;
– согласующие трансформаторы;
– импульсные трансформаторы;
– измерительные трансформаторы.
Сигнальные
трансформаторы линейны и служат для передачи
гармонических сигналов (содержащих одну или несколько гармоник),
например в усилителе звуковой частоты или в высокочастотном тракте
радиоаппаратуры. Помимо преобразования уровня сигналов и связи
усилительных каскадов по переменному току они выполняют задачу
развязки цепей по постоянному току. Например, в трансформаторе на
выходе усилителя мощности звуковой частоты
класса А первичная обмотка обычно связана с положительной шиной питания, а вторичная
обмотка (куда включается громкоговоритель) – с общим проводом.
Другой пример: ВЧ-трансформатор типа
«balun» (BALanced–
UNbalansed) позволяет подключить симметричную антенну (диполь) к
несимметричной питающей линии типа коаксиального кабеля, оплетка
которого соединена с «землей» радиопередатчика.
Силовые трансформаторы оптимизированы для работы с опреде-
ленным значением переменного напряжения синусоидальной формы.
Их выходная мощность и КПД обычно превышают аналогичные параметры трансформаторов из других групп. Наиболее распространены
трансформаторы, предназначенные для работы с частотой промышленной сети 50/60 Гц. Существуют также трансформаторы, рассчитанные на частоту 400 Гц (для бортовой сети самолетов).
Основными па-
раметрами силовых трансформаторов являются:
– номинальное напряжение первичной обмотки;
– номинальная мощность;
– коэффициент трансформации.
55
Номинальное напряжение первичной обмотки определяет, к каким
сетям можно подключать данный трансформатор. Напряжение в силовых сетях может иметь значение из набора: 36 В, 110 В, 127 В, 220 В,
380 В, 10 кВ, 36 кВ, 110 кВ, 220 кВ… Номинальная мощность показывает, какую мощность можно «пропустить» через трансформатор. Коэффициент трансформации дает информацию о том, какое значение
напряжения будет во вторичной обмотке. Коэффициент трансформации может иметь несколько значений, если у трансформатора несколько вторичных обмоток с разным числом витков.
В качестве как силовых, так и сигнальных трансформаторов нередко используются и трансформаторы с одинаковым числом витков
в первичной и вторичной обмотках. Такие трансформаторы имеют
одну функцию:
вают
развязывающими. Они используются для защиты от большой
гальваническая развязка цепей. Поэтому их назы-
разности потенциалов между разными участками схемы или для снижения опасности поражения электрическим током. При организации
гальванической развязки внутри электронного прибора сопротивление между двумя участками схемы по постоянному току близко к
бесконечности. Возможность же передачи сигналов переменного тока
сохраняется.
По требованиям техники безопасности
боров должны быть заземлены. Но разность потенциалов
корпуса´ электрических при-
и
1
2
между точками заземления, расположенными на значительных расстояниях друг от друга, велика и может вызвать поражение электрическим током напряжением
левому
(заземленному с дальнего конца) проводу (рис. 1.32). При за-
при прикосновении человека к ну-
21
землении же длинного нулевого провода с двух сторон по нему будет
протекать большой разностный ток.
Нулевой провод на подстанции заземляется. Человек, если он электрически заземлен (например, стоит на земле или держится за заземленный предмет), прикоснувшись к
током, напряжение которого равно
фазному проводу, получит удар
, как показано на рис. 1.33.
21
Если вторичная обмотка развязывающего трансформатора не соединена с землей, заземленный человек, взявшись за любой вывод обмотки,
удара током не получит (опасно только прикосновение к обоим выводам обмотки одновременно).
56
Рис. 1.32. Использование трансформатора для развязки земель
Рис. 1.33. Использование трансформатора для развязки по фазному
проводу
Дополнительным параметром для силовых трансформаторов является
ток холостого хода. Для идеального трансформатора, в случае
если к вторичной обмотке не подключена нагрузка, ток в первичной
обмотке (обладающей бесконечным индуктивным сопротивлением) не
протекает. Однако магнитные материалы, использующиеся в качестве
сердечника, имеют ограниченную магнитную проницаемость μ, кроме
того, они способны намагничиваться (гистерезис). При этом после изменения полярности напряжения изменение направления силовых
линий магнитного поля происходит не сразу. Гистерезис можно уменьшить, но полностью устранить нельзя. На изменение направления силовых линий магнитного поля тратится энергия, которая и обусловливает ток холостого хода. Значение тока холостого хода зависит от номинальной мощности трансформатора и качества его изготовления.
Для маломощных трансформаторов этот ток
может достигать 10 %
номинального первичного тока. Так, у трансформаторов для сети 220 В
с номинальной мощностью 20…40 Вт значение тока холостого хода
составляет порядка 10 мА. Признаком превышения значения тока хо-
57
лостого хода является «гудение» трансформатора и/или повышение
температуры до значения 50…60 °С без подключенной к вторичной
обмотке нагрузки.
Согласующие
трансформаторы имеют некоторую полосу рабочих
частот, для которых выполняется условие преобразования напряжения
и тока между обмотками. Принцип работы согласующего трансформатора можно описать следующим образом. Пусть коэффициент трансформации равен 5. На первую обмотку подается напряжение 10 В и
протекает ток 10 мА. Эту обмотку можно рассматривать как резистор с
сопротивлением 1 кОм (входное
сопротивление трансформатора,
включенного в первичную цепь). Учитывая коэффициент трансформации, со вторичной обмотки можно получить сигнал с напряжением 2 В
и током 50 мА. Это эквивалентно сопротивлению 40 Ом (входное сопротивление вторичной цепи, подключенной к трансформатору). Получается, что низкое сопротивление во вторичной обмотке отображается для первичной обмотки в виде сопротивления с
большим значени-
ем. Согласующие трансформаторы используются, когда необходимо с
малыми потерями передать мощность из высокоомной цепи в низкоомную нагрузку
. Или, наоборот, из низкоомной цепи в высокоом-
ную нагрузку. Основными параметрами согласующих трансформаторов являются:
– полоса рабочих частот;
– сопротивление первичной обмотки переменному сигналу, частота
которого находится в середине диапазона рабочих частот;
– максимально допустимая мощность;
– коэффициент полезного действия;
– коэффициент трансформации.
Дополнительными параметрами согласующих трансформаторов
являются:
– индуктивность первичной и вторичной обмотки;
– сопротивление первичной обмотки постоянному току.
Дополнительные параметры необходимы для расчета схем, являющихся источниками сигналов для согласующих трансформаторов, и будут более подробно рассмотрены в курсе лекций «Схемотехника».
Импульсные трансформаторы
предназначены для передачи импульсных (прямоугольных) сигналов. Пример импульсного сигнала
показан на рис. 1.34.
58
%
%
90
90
10%
t
н
Рис. 1.34. Пример импульсного сигнала
Участок нарастания напряжения называется передним фронтом, а
участок спада напряжения – задним фронтом. Импульсный трансформатор должен вносить минимальные искажения в форму фронтов.
При этом искажение формы горизонтального участка импульса допускается. Основными параметрами импульсных трансформаторов
являются:
– максимальная длительность импульса;
– коэффициент трансформации.
Дополнительным параметром импульсных трансформаторов служит относительная величина уменьшения
нала при максимальной длительности импульса.
Основным различием трансформаторов, входящих в одну группу,
является
дечников:
нолитными. Варианты сердечников трансформаторов показаны на
рис. 1.35.
сердечникам, (в, г
ным сердечникам. Варианты (б, г, е) являются монолитными. Варианты сердечников (а, в) выполнены из набора тонких пластин. Торо-
идальный сердечник (д) реализован намоткой ленты из магнитного
материала в кольцо. Реализация сердечника в виде набора пластин или
монолита зависит от выбора магнитного
форма сердечника. Существует три основных формы сер-
– броневой сердечник, также называемый Ш-образным;
– стержневой сердечник, также называемый П-образным;
– тороидальный сердечник.
Сердечники могут иметь вид набора тонких пластин или быть мо-
Изображенные на рис. 1.35 сердечники (а, б) относятся к броневым
) – к стержневым сердечникам, а (д, е) – к тороидаль-
t
сп
амплитуды выходного сиг-
материала.
10%
59
а
а
б
б
в
в
д
д
г
г
е
е
Рис. 1.35. Формы сердечников
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]