22.Широкополосные и импульсные трансформаторы.

Т рансформаторами называют электромагнитные устройства, предназначенные для изменения характеристик электрических сигналов, таких как напряжение, ток, форма, фазность (в том числе и переход от несимметричного относительно “земли” входа к симметричному выходу и наоборот). По виду связи между входными и выходными зажимами трансформаторы можно разделить на два класса: трансформаторы с магнитной связью (обмоточные) и с электромагнитной связью (трансформаторы типа длинной линии).

Изображенный на этой схеме идеальный трансформатор (ИТ) отображает основное свойство трансформатора  изменение значений напряжений и токов в первичной и во вторичной цепях. Коэффициент трансформации идеального трансформатора определяется как отношение чисел витков реального трансформатора n = w2/w1 = E2/E1 (при любом значении связи между обмотками).

На схеме обозначены также: L = 0/I = w10/I  индуктивность намагничивания, определяемая основным магнитным потоком 0; LS1, LS2  индуктивности рассеяния первичной и вторичной обмоток трансформатора, обусловленные потоками рассеяния S1 и S2; r1, r2   резистивные сопротивления обмоток трансформатора; g0  проводимость, определяемая потерями в сердечнике трансформатора на перемагничивание и на вихревые токи; C0  эквивалентная емкость, характеризующая электрическую энергию, запасенную в межвитковых и межобмоточных емкостях трансформатора.

Основой для составления эквивалентной схемы (без учета емкостных связей) послужили уравнение равновесия магнитодвижущих сил в магнитопроводе и уравнения, отражающие баланс напряжений в цепях первичной и вторичной обмоток:

i1w1  i2w2 = Ф0Rμ; u1 =  e1  es1 + i1r1; e2 = u2 + i2r2  es2,

где es2 = dS2/dt = –LS2 di2/dt  ЭДС, наводимая во вторичной обмотке потоком рассеяния вторичной обмотки; R = lср/0Sс  магнитное сопротивление магнитопровода; lср  длина средней магнитной силовой линии в сердечнике;  – относительная магнитная проницаемость материала сердечника; 0 = 4∙10–7 Гн/м  магнитная проницаемость вакуума.

В области низких частот основное влияние на частотные характеристики трансформатора оказывает индуктивность намагничивания L, что проявляется в увеличении тока намагничивания (I), а следовательно, и тока первичной обмотки трансформатора I1.

Если за критерий ограничения полосы рабочих частот принять уровень повышения тока I1 на 3 дБ, то связь между L и нижней граничной частотой fн при заданном сопротивлении нагрузки Rн определится соотношением

2fнL  Rн/n2.

В области верхних частот характер частотных характеристик определяют индуктивности рассеяния Ls, паразитная емкость C0 и, возможно, наличие емкости нагрузки Сн, а влияние индуктивности L практически не сказывается. Поэтому при емкостном характере нагрузки на верхних частотах может наблюдаться подъем частотной характеристики коэффициента передачи K = U2/U1. Частота этого подъема характеристики определяется из выражения

где Cн – емкость в цепи нагрузки; – индуктивность рассеяния обеих обмоток трансформатора, приведенная к вторичной обмотке.

В области средних частот можно пренебречь L..

При передаче импульсных сигналов индуктивность рассеяния и емкость C0 определяют искажения фронтов передаваемых импульсов, т. е. характер переходного процесса в области малых времен. В частности, по периоду T колебательного процесса при передаче фронтов импульса можно определить LS′, используя очевидное соотношение

.

Индуктивность намагничивания определяет форму переходной характеристики в области больших времен. Так, спад вершины импульса  = U2/U2 связан с L следующим соотношением:

 = (и/L)[(R1R2/n2)/(R1 + R2/n2)],

где R1 = r1 + Rг и R2 = r2 + Rн – резистивные сопротивления в цепях первичной и вторичной обмоток (включая внутреннее сопротивление источника сигнала Rг и сопротивление нагрузки Rн).

В области малых времен индуктивность намагничивания почти не сказывается на работе трансформатора т.к. энергия в ней не успевает накопиться.