close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

код для вставкиСкачать
Электроника и МПТ
Элементная база электронных схем.
Пассивные компоненты
Трансформаторы
Трансформаторы – статические электромагнитные устройства, предназначенные для
преобразования величин переменного напряжения и тока.
Принцип действия электромагнитного трансформатора основан на преобразовании
энергии электрического поля в энергию магнитного поля и обратном преобразовании
последней.
Такой трансформатор состоит из ферромагнитного магнитопровода и расположенных на
нем обмоток.
Первичная обмотка, подключаемая к первичной питающей сети (источнику сигнала)
называется первичной (W1).
Обмотка, к которой подключается цепь нагрузки называется вторичной (W2).
TV
u1
W1
Функции трансформатора
W2
u2
1.Гальваническая (потенциальная) развязка –
отсутствие
непосредственной
электрической
(потенциальной) связи. Cвязь между обмотками
осуществляется посредством магнитного поля.
2.Согласование сопротивлений, например между
усилителем мощности и нагрузкой.
1
3. Изменение величины выходного напряжения – понижение или повышение
величины выходного напряжения относительно входного за счет изменения
соотношения витков между обмотками.
4. Изменение полярности выходного напряжение и получение противофазных
напряжений.
5. Разветвление сигналов на входы нескольких независимых цепей – в этом случае
трансформатор имеет несколько вторичных обмоток.
6. Разделительная цепь – осуществляет развязку по постоянному току двух цепей.
Классификация трансформаторов
Трансформаторы вторичных источников питания электронной аппаратуры –
трансформаторы относительно малой мощности, предназначенные для преобразования
напряжения электрической сети в напряжения, необходимые для питания электронных
узлов.
Сигнальные трансформаторы – трансформаторы малой мощности, предназначенные
для точной передачи, и преобразования электрических сигналов.
Сигнальные трансформаторы делят на:
– входные – для обеспечения согласования входных сопротивлений
электронных узлов и источников сигнала;
– выходные – для обеспечения согласования выходных сопротивлений
электронных устройств с сопротивлениями нагрузок;
– импульсные – для преобразования и формирования импульсных сигналов.
Измерительные трансформаторы – предназначенные для уменьшения первичных токов
и напряжений, удобных для проведения измерений.
2
Устройство и принцип действия трансформатора
Первичная
обмотка
W1 витков
Вторичная
обмотка
W2 витков
Трансформатор состоит из
ферромагнитного магнитопровода и
расположенных на нем обмоток.
При появлении U1 по первичной обмотке
начинает протекать ток i1, создающий
магнитное поле вокруг этого провода и
магнитный поток. Поскольку трансформатор
выполняется на ферромагнитном сердечнике
магнитное сопротивление которого много
меньше, чем у воздуха, поэтому весь
магнитный поток будет замыкаться по
сердечнику.
Основной магнитный поток, замыкаясь по сердечнику пересекает витки вторичной обмотки и в
соответствии с законом электромагнитной индукции в ней наводится ЭДС:
e2  W2 
dФ0
dФ0 W2
W
W
  1  2  W1 

 U1  n  U1  U2,
dt
W1 W1
dt
W1
где n = W2/W1 – коэффициент трансформации: если n > 1, то трансформатор повышающий,
если n < 1, то трансформатор понижающий.
dФ0
e1  W1 
 U1
dt
– ЭДС, наводимая на первичной обмотке вследствие
протекания тока i1.
3
Типы магнитопроводов
Для изготовления трансформаторов электронной аппаратуры широко используются
стержневые, броневые и тороидальные конструкции.
Типы магнитопроводов: а) броневой; б) стержневой; с) тороидальный (кольцевой).
Трансформаторы со стержневыми магнитопроводами имеют неразветвленную
магнитную цепь.
Достоинства:
1. Лучшие условия охлаждения обмоток.
2. Конструкция менее чувствительна к внешним магнитным полям.
Недостатки:
1. Большие потоки рассеивания.
2. Повышенные массогабаритные показатели.
4
Броневые трансформаторы имеют разветвленную
располагаются на среднем стержне.
Достоинства:
1. Наиболее просты при изготовлении.
2. Дешевые.
Недостатки:
1. Относительно высокая чувствительность к наводкам.
2. Большая величина потока рассеивания.
3. Плохое охлаждение обмоток.
магнитную
цепь.
Обмотки
Трансформаторы на тороидальных сердечниках:
Достоинства:
1. Малая чувствительность к внешним магнитным полям.
2. Малое значение потока рассеивания.
Недостатки:
1. Наиболее сложные в изготовлении.
2. Дорогие.
Магнитопроводы из стали и сплавов могут быть ленточными и пластинчатыми и
выполняются Ш-, П-и О- образной формы.
Магнитопроводы из феррита и магнитодиэлектриков выполняются в виде чашек, колец,
5
Ш- и П- (и других) образной формы.
Материалы магнитопроводов
Свойства трансформаторов и катушки индуктивности с
сердечником из ферромагнетика определяются свойствами
материала
магнитопровода,
который
должен
иметь
минимальное магнитное сопротивление для основного потока.
Основные
параметры
материалов
магнитопроводов:
Применяются материалы,
- индукция насыщения – Bs;
имеющие
большие
- остаточная индукция – Br;
значения μ и Bs и малую
- магнитная проницаемость – μ = B/Н; площадь
пели
- площадь петли гистерезиса.
Предельная петля
гистерезиса (определяет
гистерезиса
тепловые
потери
в
магнитопроводе).
Выбор материала магнитопровода (электротехнические стали
пермаллои, ферриты и т.п.) зависит от назначения и свойств
трансформатора.
Рекомендации по выбору магнитного материала по частоте работы
аналогичны приведенным для катушек индуктивности с сердечником.
Для
сигнальных
трансформаторов
широко применяются пермаллои 50НП,
79НМ, 80НХС и др. Сплавы 79НМ и
80НХС не рекомендуют использовать в
цепях, где имеет место подмагничивание
постоянным током из-зи малой индукции
насыщения (Bs ≈ 0,7Тл).
Ферриты
используются
обычно
на
повышенных частотах (свыше неск.
десятков кГц). Их применение ограничено
из-за низкой Bs =(0,3 ÷ 0,4)Тл и сильной
температурной зависимости параметров.
В основном используются марганеццинковые ферриты марок 6000НМ,
4000НМ, 2000НМ, 1500НМ, 1000НМ и др.
6
Эквивалентная схема трансформатора
В практических расчетах параметры вторичной цепи пересчитывают в первичную цепь.
rа1
i1
Ls2
Ls1
Rп
L
u1
rа2
С0
Схема замещения трансформатора
L 
0Sсерд K стW12
K ст 
lср
i2
ra1 – сопротивление потерь в проводе
(в меди) первичной обмотки;
rа2
– пересчитанное в первичную
u2
n2
цепь сопротивление потерь в
проводе (в меди) вторичной
обмотки;
W
U
n 2  2  2 – коэффициент трансформации;
W1 U1
 
rа2
0SстW12
– индуктивность намагничивания;

lср
Sст
– коэффициент заполнения сердечника сталью (для стали Kст = 0,9,
Sсерд для феррита K = 1,0);
ст
μ0 = 4π10-7 Гн/м – магнитная проницаемость вакуума;
μ – относительная магнитная проницаемость материала магнитопровода по отношению к
вакууму (справ.);
lср – средняя длина магнитной силовой линии;
Scт – площадь поперечного сечения стали в магнитопроводе;
Scерд – площадь поперечного сечения магнитопровода (сердечника) (справ.);
Rп – сопротивление потерь в магнитопроводе (потери на вихревые токи и перемагничивание
7
сердечника).
Процессы в трансформаторе (особенно в импульсном) зависят от
его паразитных параметров, которыми являются:
Ls – индуктивность рассеяния трансформатора – характеризует
наличие потока рассеяния трансформатора;
C0 – паразитная емкость – характеризует наличие
распределенной паразитной емкости.
Ls1 – индуктивность рассеяния первичной обмотки.
Ls 2 
Ls 2
– пересчитанная в первичную цепь индуктивность рассеяния вторичной обмотки.
n2
Как рассчитать индуктивность намагничивания Lμ?
i1
i2
По определению
Lμ 
j
u1
L
u2
Rн
Ψ
.
j
Индуктивность – коэффициент пропорциональности
между потокосцеплением ψ и током, его вызывающим j.
Основные расчетные соотношения:
Ψ  W1  Ф0; Ф0  В  Sст ; В  μа  H; H  lср  j  W1; μа  μ0  μ.
8
Ψ Ф0  W1 B  Sст  W1 μa  H  Sст  W1 μa  H  Sст  W12 μa  Sст  W12
Lμ  





j
j
j
j
H  lср
lср
μ0  μ  Sст  W12
Lμ 
lср
При передаче аналоговых сигналов через трансформатор (важно для сигнальных
трансформаторов!) выходные сигналы искажаются. Различают частотные (линейные) и
нелинейные искажения.
Частотные искажения наблюдаются в области нижних и верхних частот. Гармоники
трансформируемого сигнала передаются не одинаково. При передаче каждая гармоника
передается со своим коэффициентом передачи и фазовым сдвигом.
Нелинейные искажения обусловлены нелинейностью петли
гистерезиса. При значениях напряженности магнитного поля Нs
сердечник трансформатора насыщается, в результате величина
индуктивности намагничивания Lμ сильно снижается, а ток
намагничивания j возрастает:
Ψ (Bs  Sст  W1 )  const
Lμ 

.
j
j
Кроме того, Lμ ~ μ, которая также уменьшается при насыщении
сердечника:
μа  μ0μ 
Bs  const
.
H
Lμ снижается еще сильнее -
Lμ  .
9
Сопротивление потерь в магнитопроводе Rп также зависит величины индукции Rп = f (B).
В результате указанных изменений соотношения между элементами в схемах замещения
меняется в зависимости от уровня входного сигнала, а, соответсвенно, изменяется кофф.
трансформации трансформатора. Это приводит к искажениям формы выходного сигнала,
которые называются нелинейными искажениями.
Смотрите видео «гистерезис» на www.youtube.com
Как рассчитать R’н, I’2, U’2 ?
В любом трансформаторе вольт/виток = const, т.е.
U1 U2
W

 const  U2  U1 2  U1  n.
W1 W2
W1
i1
i2
j
u1
L
u2
Rн
I’2 -?
В приведенной на рисунке
эквивалентной схеме
U1  U2  U1 
В любом трансформаторе
ампер·виток = const, т.е
i 2  W2  i 2  W1  const. 
i 2  i 2 
Эквивалентная схема трансформатора без учета
потерь и паразитных параметров при наличии нагрузки
U2
U2 .
n
W2
 i 2  n.
W1
10
R’н - ?
Rн 
TV
R
U2
U
U2
R
 Rн  2 
 2н  Rн  2н .
I2
I2
n  I2  n n
n
I2
L2
C’н пар - ?
Rн
U1
W1
W2
Сн пар
WC  WC 
U2
Cн пар
Cн пар  U22
2

Cн пар  (U2 )2
2

U22
U22  n 2
 Cн пар

 Cн пар  n 2 
2
2
(U2 )
U2
Cн пар  Cн пар  n 2
L’2 - ?
L2  I22 L2  (I2 )2
L2  I22 L2
2
2
WL  WL 

 L2  I2  L2  (I2  n )  L2  2 2  2 
2
2
I2  n
n
L2 
L2
n2
11
Импульсные трансформаторы
Импульсные трансформаторы (ИТ) – специальный тип сигнальных трансформаторов,
предназначенный для передачи импульсных сигналов. Главное требование – минимальные
искажения при передаче импульсных сигналов.
Типовыми искажениями являются увеличение (затягивание) переднего фронта tф импульса и
появление спада плоской вершины импульса U.
u2(t)
Um
0,9Um
U
0,5Um
0,1Um
0
t
tф
tи
Увеличение tф обусловлено влиянием паразитных Ls1
и C0.
Спад плоской вершины U обусловлен конечным
значением Lμ и оценивается коэффициентом спада
плоской вершины:
K сп
ΔU

.
Um
Особенность работы ИТ – передаваемые импульсы
обычно однополярные, поэтому магнитопровод
перемагничивается по частному несимметричному
циклу.
Сердечник ИТ выполняется из материалов с
малыми
потерями
на
вихревые
токи
и
перемагничивания
на
основе:
феррита,
пермаллоя, альсифера, тонколистной электротехнической стали (Э320, Э340, Э380 толщина
ленты 10 ÷ 80мкм).
12
Условное обозначение трансформаторов
Для многих условий серийно выпускаются разные виды трансформаторов.
Применяются следующие буквенные обозначения:
ТА – трансформатор питания анодных цепей электронных ламп;
ТН – трансформатор питания накальных цепей электронных ламп;
ТАН – трансформатор питания анодно-накальных цепей электронных ламп;
ТПП – трансформатор питания устройств на полупроводниковых приборах;
ТС – трансформатор питания бытовой аппаратуры;
ТТ – трансформатор питания тороидальный;
ТВТ – трансформатор входной для транзисторных устройств;
ТОТ – трансформатор выходной для транзисторных устройств;
ТМ – трансформатор согласующий маломощный;
ТИ – трансформатор импульсный;
ТИМ – трансформатор импульсный маломощный.
Примеры обозначений:
1) Трансформатор ТА5-127/220-50В – трансформатор анодный, порядковый номер 5,
номинальное напряжение сети 127В и 220В, частотой 50Гц, В - всеклиматического
исполнения.
2) Трансформатор ТН8-220-50В.
3) Трансформатор ТАН-35-127/220-50В.
4) Трансформатор ТПП233-127/220-50В.
13
Описание унифицированных трансформаторов и их электрические схемы приводятся в
справочниках.
В зависимости от климата трансформаторы выпускаются:
- в тропическом исполнении (обозначение - Т);
- с тропическим сухим (ТС);
- с тропическим влажным (ТВ);
- во всеклиматическом (В).
Еще примеры обозначений:
5) Трансформатор ТМ5-15 – трансформатор согласующий мощностью 5мАВ, порядковый
номер – 15.
6) Трансформатор ТИ50 – трансформатор импульсный , порядковый номер - 50.
7) Трансформатор ТИМ50В – трансформатор импульсный маломощный, условный
порядковый номер – 50, всеклиматического исполнения.
ТИ работают импульсами tи = 0,5÷100мкс и амплитудой Um до 50В.
ТИМ работают с импульсами tи = 0,2÷100мкс и амплитудой Um до 30В.
Импульсные трансформаторы
14
Основные параметры трансформаторов питания
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Номинальное напряжение первичной обмотки U1.
Номинальный ток первичной обмотки I1.
Напряжение вторичной обмотки U2.
Ток вторичной обмотки I2.
Напряжение холостого хода U0 (напряжение на разомкнутой вторичной обмотке).
Номинальная мощность Pном (сумма мощностей вторичных обмоток).
Коэффициент трансформации n.
Частота питающей сети и др.
Для низкочастотных выходных трансформаторов также важны:
- полоса пропускания от fн до fв рабочего диапазона;
- сопротивление нагрузки (обычно задается на средних частотах);
- номинальная выходная мощность;
- КПД и др.
На схемах трансформаторы обозначаются:
TV – трансформатор напряжения;
ТА – трансформатор тока
15
Другие виды трансформаторов
Трансформаторы тока – специализированные
трансформаторы, предназначенные для
преобразования и передачи сигнала о токе в
цепи на устройства управления и защиты.
Автотрансформаторы – специализированные однообмоточные трансформаторы,
предназначенные для регулировки выходного напряжения.
Автотрансформатор получается из двухобмоточного трансформатора путем объединения
обмоток, поэтому первичная и вторичная цепи имеют не только магнитную, но и
гальваническую связь
Схема
автотрансформатора
ЛАТР – лабораторный
автотрансформатор
регулируемый
16
Ссылки
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
www.сhipdip.ru
www.youtube.com
Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника: Учеб.
для вузов. – М.: Высш. шк., 2008. – 798 с.
Сидоров И.Н. и др. Малогабаритные магнитопроводы и сердечники:
Справочник/ И.Н. Сидоров, А.А. Христинин, С.В. Скорняков. – М.: Радио и
связь, 1989. – 384 с.
Сидоров И.Н. и др. Малогабаритные трансформаторы и дроссели:
Справочник/ И.Н. Сидоров, В.В. Мукосеев, А.А. Христинин. – М.: Радио и
связь, 1985. – 416 с.
Резисторы: Справочник / В.В. Дубровский, Д.М. Иванов, Н.Я. Пратусевич и
др.; Под ред. И.И. Четверткова и В.М. Терехова. – 2-е изд. перераб. и доп.
– М.: Радио и связь, 1991. – 528 с.
Справочник по электрическим конденсаторам / М.Н. Дьяконов, В.И.
Карабанов, В.И. Присняков и др; Под общ. ред. И.И. Четверткова и В.Ф.
Смирнова. – М.: радио и связь, 1983. – 586 с.
17
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа