Широкополосные трансформаторы

В тех случаях, когда необходимо согласование в широкой полосе частот источника колебаний с его нагрузкой применяются трансформаторы, называемые согласующими. Оценить полосу частот, в которых происходит удовлетворительная передача мощности можно по эквивалентной схеме, где источник представлен элементами E_c и P_c, а нагрузка - элементом R`_н .

Влияние элементов эквивалентной схемы проявляются по-разному в зависимости от частоты колебания источника Е_с, поэтому можно отдельно рассмотреть упрощённые модели на низких, средних и верхних частотах.

В области средних частот можно пренебречь влиянием индуктивности трансформатора L_s, собственной ёмкости _С`o и сопротивления потерь мощности в магнитопроводе трансформатора 1/g_{a .} Тогда коэффициент передачи:

Чтобы коэффициент был близок к единице, необходимо малое сопротивление источника R_c и малые потери мощности в сопротивлении обмоток r₁ и r`<sub>2.</sub> Если не удаётся сделать малым сопротивление R<sub>c</sub>, то для передачи наибольшей мощности в нагрузку прибегают к согласованию нагрузки и выходного сопротивления источника. В согласованном режиме R`_н=R_c. При этом коэффициент трансформации:

Если установкой дополнительных приборов можно снизить выходное сопротивление источника, то согласовывать не обязательно, что облегчает получение малых значений нижней граничной частотной полосы передачи трансформатора.

Коэффициент передачи на нижних частотах снижается из-за влияния индуктивности намагничивания трансформатора L₀:

,

где τ_н=L₀/R_c- постоянная времени трансформатора в области нижней частоты.

Для получения значений [K_н(jω)] близких к единице, требуется увеличить эту постоянную времени, что достигается как увеличением L₀, так и уменьшением сопротивления источника R_c.

В области верхних частот можно пренебречь индуктивностью L₀, но учесть индуктивность рассеяния L_s, собственную ёмкость С`₀ и проводимость потерь мощности в магнитопроводе g_a. При расчёте по модели соответствия высокой частоте, получаем:

где R-R_c+r₁+r’₂ ; G=g_a+1/R_н; τ_l=L_sG; τ_c=RC₀

K(jω)

ω

Наибольшие трудности возникают с обеспечением высокой верхней граничной частоты. Она определяется проводимостью g_a, учитывающей потери мощности в магнитопроводе, индуктивность рассеяния L_s и собственной ёмкостью обмоток C`₀.

Чтобы проводимость потерь в магнитопроводе не шунтировала индуктивность трансформатора и нагрузку, необходимо выполнение условий g_a<1/(ωL₀)<1/R`_н. В противном случае основная часть энергии источника будет тратится на разогрев магнитопровода.

В широкополосных трансформаторах находят применение магнитопроводы из железа, ферритов. Наименьшими потерями мощности на частоте 100кГц и выше обладают ферриты.

Меры, принимаемые для снижения ёмкости обмоток и индуктивности рассеяния должны носить комплексный характер, так как некоторые конструктивные решения , уменьшающие L_s приводят к росту С`₀ и наоборот. Для оценки влияния тех или иных конструктивных мер следует воспользоваться более сложными моделями, учитывающими собственную ёмкость обмоток полнее.

Ёмкость C`₀ есть некий эквивалент энергии, запасённой в распределённых емкостях между внутренним слоём обмотки и магнитопроводом С₁₁-С₁₄ и витками и слоями обмотки С₂₁-С₂₄, пересчитанных на первичную обмотку. При песекц. двухслой обмотке и линейном распределении потенциала вдоль обмотки каждый элемент распределяет ёмкости между обмоткой и магнитопроводом, увеличив собственную ёмкость, зависящую как от напряжения U_х, так и от коэффициента перен. на всю обмотку. Наибольшее влияние на собственную ёмкость оказывает ёмкость С₁₄, находящаяся под наибольшей разностью потенциалов, равной U_m/2, а на межвитковые ёмкости ёмкость С₂₁.

При выполнении двухслойной обмотки из двух секций каждая из емкостей С₁₁-С₁₄ хоья и остаётся такой же, как и ранее, но потенциал, до которого заряжаются ёмкости С₁₃-С₁₄ становится больше. Это повышает их вклад в общую ёмкость С`<sub>0</sub>. Вместе с тем ёмкости С<sub>13</sub> и С<sub>14</sub> оказываются подсоединёнными к большему количеству витков первичной обмотки, чем при односекционной обмотке. Последнее обстоятельство снижает их вклад в C`₀.

Межвитковые ёмкости С₂₁, С₂₄ в секционированной обложке оказываются под потенциалом, заметно меньшим, чем в несекционной обмотке, их вклад в эквивалент собственной ёмкости C`₀ существенно снижается. Как показывают расчёты по усложненным моделям, секционированные многослойные обмотки снижают межвитковые ёмкости, пропорциональные квадрату числа секций и увеличивают ёмкости внутреннего слоя обмотки на магнитопроводе.

Вместе с тем секционирование обмоток приводит к снижению индуктивности рассеяния трансформатора при некоторых вариантах его конструктивного исполнения. Наименьшее значение индуктивности рассеяния достигается при торр. пок-ции трансформатора с обмотками, расположенными по всей поверхности тора одна под другой.