Зачем вторичную обмотку импульсного трансформатора

Импульсный трансформатор: виды, применение и особенности

Под импульсным трансформатором подразумевается устройство, предназначенное для изменения тока и напряжения импульсных сигналов. При этом форма импульса на выходе будет характеризоваться минимальным искажением.

Сферы применения

Они используются в дифференцирующих модулях, газовых лазерах, генераторах триодного типа и так далее. Главная сфера применения таких устройств – современное радиоэлектронное оборудование, телевизоры и компьютеры.

Классификация

Импульсные трансформаторы делятся на виды, исходя из типа конструкции. Они бывают броневыми, бронестержневыми, стержневыми и тороидальными. Сердечник таких устройств чаще всего имеет форму круга, но также может быть и прямоугольным.

Достоинства импульсных трансформаторов:

1. Характеризуются высокой выходной мощностью.
2. Являются компактными и имеют небольшой вес, так как при их изготовлении было использовано меньше материалов, чем при производстве других подобных электротехнических изделий с такими же свойствами.
3. Их работа является эффективной, что удалось достичь с помощью уменьшения потерь энергии (у таких устройств высокий КПД).
4. Стоят дешевле других устройств с аналогичными характеристиками.
5. Благодаря схемам защиты они отличаются высокими показателями надежности.

1. Довольно сложный ремонт.
2. Необходимо применять специальную защиту от воздействия помех высокочастотного характера. Порой из-за этих помех такие трансформаторы вообще невозможно использовать.

Проверка исправности

Исправность импульсного трансформатора проверяется с помощью специального прибора – мультиметра, который может быть аналоговым цифровым. Более удобным в использовании является именно цифровой мультиметр, так как он не нуждается в дополнительной настройке.

В свою очередь, для того чтобы настроить аналоговый мультиметр, необходимо выбрать эксплуатационный режим, вставить провода в контакты устройства и выставить стрелку на ноль с помощью специальной подстройки.

Важно: если проверяемый трансформатор представляет собой часть другого устройства, то его потребуется отделить от конструкции. Это необходимо, чтобы избежать влияния помех в процессе диагностики. При обнаружении неисправности, необходимо найти ее причину. Это может быть нарушение изоляции проводов или их разрыв, а также поврежденный сердечник или подгоревшие соединения.

Кроме инструментальной диагностики импульсного трансформатора также необходимо провести и его визуальный осмотр. Признаки подгоревшей обмотки или характерный запах гари могут свидетельствовать о выходе аппарата из строя.

Если было обнаружено, что провод катушки больше не может быть использован, то можно устранить проблему перемоткой трансформатора. С этой целью потребуется подобрать провод, имеющий двойную или даже тройную изоляцию, и намотать его на сердечник.

Перемотка осуществляется в несколько этапов:

1. Сначала следует намотать провод первичной катушки (при выполнении намотки необходимо следить за тем, чтобы витки были плотными и равномерными).
2. Далее потребуется припаять выходной конец провода в соответствующем месте.
3. После этого можно наносить изоляцию (не в один слой).
4. Конечным этапом является намотка вторичной обмотки и припаивание концов.

Важно: перекручивания провода или узлы в процессе его намотки не допустимы. Перед началом намотки необходимо выполнить расчет количества витков в соответствии с характеристиками устройства.

Электрические трансформаторы

Электрический трансформатор — это статическое устройство, служащее для преобразования величины переменного напряжения.

Действие трансформаторов основано на явлении электромагнитной индукции. Трансформатор состоит из одной первичной обмотки, одной или нескольких вторичных обмоток и ферромагнитного магнитопровода, обычно замкнутой формы. Все обмотки расположены на магнитопроводе и индуктивно связаны между собой. Иногда вторичной обмоткой служит часть первичной, или наоборот. Такие трансформаторы называются автотрансформаторами.

Концы первичной обмотки подключают к источнику переменного напряжения, а концы вторичной — к потребителям. Переменный ток в первичной обмотке приводит к появлению в магнитопроводе переменного магнитного потока, который создаёт в первичной и вторичной обмотках электродвижущие силы (ЭДС). Эти ЭДС пропорциональны количеству витков в соответствующих обмотках. Отношение ЭДС в первичной обмотке к ЭДС во вторичной обмотке называют коэффициентом трансформации.

I. Силовые трансформаторы

Силовые трансформаторы — это наиболее распространенный вид электрических трансформаторов. Они служат для преобразования энергии переменного тока в электрических сетях энергетических систем, в радиотехнических устройствах, системах автоматики и др. и работают при постоянном действующем значении напряжения. Мощные силовые трансформаторыимеют КПД до 99%. Их обмотки изготовляют, как правило, из меди, магнитопроводы — из листов холоднокатаной электротехнической стали. Магнитопровод и обмотки силового трансформатора обычно помещают в бак, заполненный минеральным маслом, которое служит для изоляции и охлаждения обмоток. Масляные трансформаторы обычно устанавливают на открытом воздухе. Трансформаторы без масляного охлаждения называются сухими. Для лучшего отвода тепла силовые трансформаторы могут снабжаться радиаторами.

Помимо силовых, существуют трансформаторы различных типов и назначения: для измерения больших напряжений и токов (измерительные), для преобразования напряжения синусоидальной формы в импульсное (пик-трансформаторы), для преобразования импульсов тока и напряжения (импульсные), для выделения переменной составляющей тока, для разделения электрических цепей на гальванически не связанные между собой части, для их согласования и т.д.

II. Измерительные трансформаторы

Измерительный трансформатор — это электрический трансформатор, на первичную обмотку которого воздействует измеряемый ток или напряжение, а вторичная, понижающая, включена на измерительные приборы и реле защиты. Измерительные трансформаторы применяют главным образом в распределительных устройствах и в цепях переменного тока высокого напряжения для безопасных измерений силы тока, напряжения, мощности, энергии. С помощью измерительных трансформаторов можно измерять различные значения электрических величин электроизмерительными приборами. Различают измерительные трансформаторы напряжения (для включения вольтметров, частотомеров, параллельных цепей ваттметров, счётчиков, фазометров и реле напряжения) и измерительные трансформаторы тока (для включения амперметров, последовательных цепей ваттметров, счётчиков, фазометров и реле тока).

Измерительные трансформаторы напряжения предназначены для преобразования высокого напряжения в низкое в цепях измерения и контроля. Применение трансформаторов напряжения позволяет изолировать цепи вольтметров, частотомеров, электрических счётчиков, устройств автоматического управления и контроля и т.д. от цепи высокого напряжения и создаёт возможность стандартизации номинального напряжения контрольно-измерительной аппаратуры.

Трансформаторы напряжения подразделяются на:

• трансформаторы переменного напряжения,
• трансформаторы постоянного напряжения.

Первичная обмотка трансформатора переменного напряжения состоит из большого числа витков и подключается к цепи с измеряемым напряжением параллельно. К зажимам вторичной обмотки с числом витков во много раз меньшим подсоединяют измерительные приборы или контрольные устройства. Так как внутреннее сопротивление последних относительно велико, трансформатор работает в условиях, близких к режиму холостого хода, что позволяет (пренебрегая потерями напряжения в обмотках) считать напряжения на первичной и вторичной обмотках пропорциональными количеству витков в обмотках. Зная коэффициент трансформации можно по результатам измерения низкого напряжения во вторичной обмотке определять высокое первичное напряжение.

Измерительные трансформаторы тока предназначены для измерения и контроля больших токов с использованием стандартных измерительных приборов и устройств автоматического управления и контроля. Одновременно трансформаторы тока служат для изоляции аппаратуры от потенциала сети, в которой производится измерение.

Трансформаторы тока подразделяются на:

• трансформаторы переменного тока,
• трансформаторы постоянного тока.

Первичная обмотка трансформаторов переменного тока состоит из одного или нескольких витков провода относительно большого сечения и включается последовательно в цепь измеряемого тока. Вторичная обмотка состоит из большого числа витков провода сравнительно малого сечения; к ней подключают приборы и устройства с пренебрежимо малым внутренним сопротивлением (амперметры, счётчики, реле и т.п.). Отличительной особенность трансформаторов тока — независимость тока в первичной обмотке от режима работы вторичной обмотки (практически она короткозамкнута). Это позволяет, при известном коэффициенте трансформации, определять большой ток в первичной обмотке, измеряя относительно слабый ток во вторичной.

Трансформаторы тока классифицируют по:

• назначению (измерительные, защитные, промежуточные, лабораторные),
• способу установки (наружные, внутренние, встроенные в электрические аппараты и машины, накладные, надеваемые на проходные изоляторы, переносные),
• числу ступеней (одноступенчатые, каскадные),
• способу крепления (проходные, в том числе электроизмерительные клещи, опорные),
• числу витков первичной обмотки (одновитковые, или стержневые, многовитковые),
• рабочему напряжению (низкого напряжения, высокого напряжения),
• виду изоляции обмоток (с сухой, бумажно-масляной, компаундной изоляцией).

III. Автотрансформаторы

Автотрансформатор — это электрический трансформатор, все обмотки которого гальванически соединены друг с другом. При малых коэффициентах трансформации автотрансформаторы легче и дешевле многообмоточных трансформаторов. Недостаток автотрансформаторов заключается в невозможности гальванического обособления цепей. Автотрансформаторы служат преобразователями электрического напряжения в пусковых устройствах мощных электродвигателей переменного тока, в схемах релейной защиты для плавного регулирования напряжения и др. Регулируемые автотрансформаторы позволяют благодаря механическому перемещению точки отвода вторичного напряжения сохранить его постоянным при изменениях первичного напряжения.

IV. Импульсные трансформаторы

Импульсный трансформатор — имеет ферромагнитный сердечник и применяется для преобразования импульсов электрического тока или напряжения. Импульсные трансформаторы в радиолокации, импульсной радиосвязи, автоматике и вычислительной технике применяют для согласования источника импульсов с нагрузкой, изменения полярности импульсов, разделения электрических цепей по постоянному и переменному току, сложения сигналов, поджигания импульсных ламп и т. д. Основное требование, предъявляемое к импульсным трансформаторам, — передача импульса с минимальными искажениями формы. Для этого необходимо, чтобы межвитковые ёмкости обмоток, паразитные ёмкости монтажа и индуктивность рассеяния трансформатора были минимальными. Уменьшение межвитковых ёмкостей достигается применением сердечников малых размеров, соответствующей намоткой и взаимным расположением обмоток, а также уменьшением числа витков (при этом снижается коэффициент трансформации). Сердечники импульсных трансформаторов изготавливаются из пермаллоя, кремнистой трансформаторной стали, ферритов и других материалов с высокой магнитной проницаемостью. Для уменьшения потерь на вихревые токи сердечники импульсных трансформаторов навивают из ферромагнитной ленты толщиной до 10 мкм; поверхность ленты покрывают изолирующим слоем. Ферритовые сердечники, имеющие малые потери на вихревые токи, изготавливают методами порошковой металлургии. Первичная обмотка импульсного трансформатора обычно содержит от 50 до 200 витков, коэффициент трансформации выбирается от 0,25 до 5, а в некоторых случаях до 100 и выше.

V. Пик-трансформаторы

Пик-трансформатор — это электрический трансформатор, преобразующий напряжение синусоидальной формы в импульсное напряжение с изменяющейся через каждые полпериода полярностью. Простейший пик-трансформатор имеет магнитопровод с разной толщиной стержней. Вторичная обмотка располагается на более тонком стержне. При протекании в первичной обмотке синусоидального тока в магнитопроводе возникает магнитный поток, который уже при малых значениях силы тока насыщает тонкий стержень магнитопровода, вследствие чего ЭДС, индуцированная во вторичной обмотке, имеет импульсный (пиковый) характер. Пик-трансформаторы используются как генераторы импульсов главным образом в исследовательских установках высокого напряжения, а также в устройствах автоматики.

Трансформаторные масла — это нефтяные или синтетические масла, применяемые в качестве электроизолирующей и теплоотводящей среды в трансформаторах и другом маслонаполненном электрооборудовании, а также в масляных выключателях для гашения электрической дуги при отключении тока. Основная доля трансформаторных масел приходится на масла нефтяные. Трансформаторное масло получают очисткой соответствующих нефтяных дистиллятов с помощью селективных растворителей (фенола, фурфурола), серной кислоты, адсорбентов или гидрированием. Процесс получения масел из сырья, содержащего парафиновые углеводороды, включает также стадию депарафинизации. Трансформаторные масла должны обладать высокой электрической прочностью и электрическим сопротивлением, минимальным тангенсом угла диэлектрических потерь, стабильностью к окислению, должны иметь малую вязкость, низкую испаряемость. Нефтяные трансформаторные масла имеют вязкость 6 — 10×10-6 м2/сек при 50 °С, температуру застывания не выше -45°С, температуру вспышки не ниже 135 °С, тангенс угла диэлектрических потерь не более 0,026 — 0,005 при 90 °С, диэлектрическая проницаемость 2,2 — 2,3; они не должны содержать воду и механические загрязнения. Из синтетических трансформаторных масел наибольшее распространение получили жидкости на основе хлорированных дифенилов и трихлорбензола (гексол, совтолы). В некоторых видах специальных трансформаторов применяются также углеводородные, кремнийорганические и фосфорорганические синтетические жидкости.

Особенности применения трансформаторов в импульсных преобразователях электрической энергии. Часть 2

Но есть еще одна особенность. Если использовать стабилизатор, построенный по понижающей схеме, и увеличить его рабочую частоту в два раза по сравнению с рабочей частотой трансформатора, то, изменив необходимым образом алгоритм управления ключами S1 – S4, ключи S5 и S6 можно исключить.

В этом случае алгоритм работы преобразователя разбивается на четыре этапа (Рисунок 6). На первом этапе ключи S1 и S3 замкнуты, а S2 и S4 – разомкнуты. При такой коммутации через замкнутый ключ S1 на первичную обмотку W1.1 трансформатора T1 подается напряжение, равное напряжению на входе преобразователя U_ВХ. Это приводит к появлению на вторичной обмотке W2.1 напряжения, отличающегося от величины U_ВХ на величину коэффициента трансформации трансформатора К_ТР = N_2.1/N_1.1 (где N_1.1 и N_2.1 – количество витков обмоток W1.1 и W2.1, соответственно). Это напряжение через замкнутый ключ S3 подается на вход второй ступени преобразования (стабилизатора), который обозначен на схеме Рисунка 6 точками 1 и 1′. Точно такое же напряжение было бы в точках 1 и 1′ схемы на Рисунке 5 при тех же параметрах трансформатора и замкнутом ключе S5.

Рисунок 6.

Принцип работы стабилизированного импульсного преобразователя на основе трансформатора.

Таким образом, этот этап соответствует первому этапу работы «дроссельных» преобразователей, на протяжении которого дроссель L1 обменивается энергией с конденсатором С1 [3] (в действительности, из-за того, что вход импульсного регулятора в понижающей схеме включен последовательно с выходом преобразователя, дроссель обменивается энергией с обоими конденсаторами С1 и С2, но это уже специфика понижающей схемы). Это очевидно в схеме Рисунка 5, а вот в схеме Рисунка 6 из-за особенностей последующих этапов работы конденсатор С1 пришлось переместить на вход преобразователя. Но, несмотря на такое расположение, обмен энергией между дросселем L1 и конденсатором C1 при использовании в качестве силовых ключей S1 и S3 приборов, обеспечивающих двунаправленное протекание тока, возможен в любом направлении.

Кроме того, на первом этапе преобразования, под действием напряжений U_ВХ и U_ВЫХ, присутствующих на конденсаторах С1 и С2, происходит изменение магнитного потока трансформатора ф_ТР(t) на величину 2Ф_МАХ, а магнитного потока дросселя ф_ДР(t) – на величину Ф_МАХ (где Ф_МАХ – максимальное значение магнитного потока для выбранного магнитопровода) [6], а токи силовых ключей, находящихся в проводящем состоянии, без учета тока намагничивания магнитопровода трансформатора, определяются величиной тока дросселя:

На втором этапе преобразования в замкнутом состоянии находятся ключи S3 и S4, а ключи S1 и S2 разомкнуты. При такой коммутации конденсатор C1 отключен и токи ключей i_S1(t) и i_S2(t) равны нулю. Самое интересное на этом этапе происходит на вторичной стороне трансформатора. Ток дросселя i_ДР(t) через замкнутые ключи S3 и S4 начинает протекать через обмотки W2.1 и W2.2, причем, согласно первому закону Кирхгофа:

Поскольку количество витков обмоток W2.1 и W2.2 одинаково (N_2.1 = N_2.2), то при такой схеме включения и равенстве токов i_S3(t) и i_S4(t) их намагничивающие силы взаимно компенсируются и не оказывают влияния на магнитный поток трансформатора ф_ТР(t). Помимо этого, замкнутые ключи S3 и S4 обеспечивают путь для протекания тока намагничивания, связанного с магнитным потоком трансформатора ф_ТР(t). При этом короткое замыкание вторичных обмоток W2.1 и W2.2 ключами S3 и S4 приводит к тому, что напряжения на первичной ф_ТР1(t) и вторичной u_ТР2(t) обмотках трансформатора становятся равными нулю, поэтому величина его магнитного потока ф_ТР(t) на данном этапе, согласно закону Фарадея, не изменяется.

Таким образом, одновременное замыкание ключей S3 и S4 в схеме Рисунка 6 полностью эквивалентно замыканию ключа S6 в схеме Рисунка 5 (замыканию точек 1 и 1′). Этот этап соответствует второму этапу преобразования «дроссельных» преобразователей, на протяжении которого дроссель L1 обменивается энергией c конденсатором C2. Также как и на первом этапе, при использовании ключей, обеспечивающих двунаправленное протекание тока, обмен энергией между дросселем L1 и конденсатором C2 может проходить в любом направлении.

Третий и четвертый этапы преобразования практически полностью соответствуют первому и второму, за исключением того, что на третьем этапе замыкаются ключи S2 и S4. Кроме того, при одинаковом количестве витков обмоток W1.1 и W1.2 длительность третьего этапа должна быть равна длительности первого – только в этом случае магнитопровод трансформатора T1 будет намагничиваться по симметричному циклу, что является необходимым условием для передачи максимальной мощности.

Таким образом, за один цикл перемагничивания магнитопровода трансформатора происходят два цикла перемагничивания магнитопровода дросселя, то есть дроссель работает на удвоенной частоте. Напряжение на входе понижающего стабилизатора (если бы он был отдельным узлом) отличается от напряжения U_ВХ на величину К_ТР = N_2.1/N_1.1 = N_2.2/N_1.2, а коэффициент передачи схемы в целом равен [2]:

где t₁ – длительность первого (третьего), а t₂ – длительность второго (четвертого) этапа преобразования (Рисунок 6). То есть, регулировка (и стабилизация) выходного напряжения, также как и в «дроссельных» преобразователях, осуществляется путем изменения длительностей открытого состояния ключей S1 – S4, теоретически, с какой угодно точностью.

Сравнение габаритов индуктивных элементов

Что это нам дает в итоге? Сравним две схемы преобразователей (Рисунок 7) одинаковой мощности: обратноходовую и на основе трансформатора, работающих при одинаковых напряжениях на входе U_ВХ и выходе U_ВЫХ. Пусть магнитопроводы всех индуктивных элементов работают в оптимальном режиме [6], обеспечивающем наименьшее значение произведения площади поперечного сечения сердечника S_C и окна S_O магнитопровода. Примем произведение S_CS_O магнитопровода дросселя L1 обратноходового преобразователя за базовое значение (100%). Согласно [1, 7], аналогичный параметр магнитопровода трансформатора, работающего на той же частоте и в том же режиме, что и дроссель обратноходового преобразователя, будет в 8 раз меньше, что составит приблизительно 13% от габаритов дросселя обратноходовой схемы. Осталось определить значение S_CS_O для дросселя L1 «трансформаторного» преобразователя.

Рисунок 7.

Сравнение двух преобразователей одинаковой мощности.

Из [2] нам известно, что через магнитное поле дросселя понижающей схемы проходит лишь часть энергии, но сколько именно? Выберем коэффициент трансформации трансформатора К_ТР таким образом, чтобы при минимальном входном напряжении напряжение на вторичных обмотках было приблизительно равно выходному напряжению. В этом случае длительность t₁ будет максимальна, а t₂ будет стремиться к нулю. Это означает, что через магнитное поле дросселя энергия проходить практически не будет, и этот узел теоретически не нужен.

Совершенно другое дело при максимальном входном напряжении. Поскольку значение К_ТР не меняется и выбирается для худшего случая, увеличение входного напряжения приведет и к увеличению напряжения на его вторичных обмотках. При максимальном отклонении входного напряжения ±20% максимальное напряжение на вторичных обмотках трансформатора будет на 40% больше напряжения U_ВЫХ, чему соответствует U_ВЫХ/U_ВХ ≈ 0.72. По графику на Рисунке 4 или формулам, полученным в [2], определим, что в этом случае через магнитопровод дросселя L1 будет проходить всего 28% мощности нагрузки. А поскольку в «трансформаторной» схеме дроссель L1 работает на удвоенной частоте, то произведение S_CS_O его магнитопровода фактически составит всего 14% от значения S_CS_O магнитопровода дроселя обратноходового преобразователя той же мощности. Таким образом, общая масса и габариты индуктивных элементов «трансформаторной» схемы составят всего лишь около 32% от соответствующих параметров обратноходового преобразователя той же мощности и работающего на той же частоте. Согласитесь, ради уменьшения в три раза массы и габаритов самых громоздких и дорогих компонентов преобразователя есть смысл пойти на усложнение схемы.

Сделанные выше расчеты справедливы для любых схем, в которых трансформаторы работают с симметричной петлей перемагничивания. К таким схемам относятся: схема с выводом средней точки трансформатора (рассмотренная в статье), полумостовая и мостовая. В схемах с нессиметричным перемагничиванием магнитопровода трансформатора (прямоходовая, двухтранзисторная) из-за уменьшения размаха магнитной индукции габариты трансформатора будут больше. Кроме того, в данном сравнении подразумевалось, что магнитопроводы дросселей и трансформаторов выполнены из одинакового материала. Если для магнитопроводов дросселей использовать другие магнитные материалы, например, более дешевое распыленное железо с большей индукцией насыщения, то их относительные размеры и масса могут измениться.

Но в любом случае, использование трансформатора позволяет значительно уменьшить общие объем и массу магнитных материалов, а также потери на перемагничивание (за счет уменьшения общей массы магнитопроводов), что при мощности более 100 Вт позволит ощутимо улучшить массогабаритные показатели преобразователя в целом. А вот для маломощных схем такое решение может привести к обратному результату, ведь индуктивные элементы, особенно с высокой электрической прочностью изоляции, очень сложно сделать малогабаритными, да и увеличение общего количества компонентов потребует использования печатной платы большей площади.

Заключение

Зачем так сложно? Почему, как делают некоторые авторы, не представить звено L1C2 в виде фильтра нижних частот (которым оно также является), предназначенного для сглаживания высокочастотных пульсаций демодулированного (выпрямленного) напряжения, снимаемого с вторичных обмоток трансформатора? Конечно, можно сказать, что фактически величину напряжения преобразует трансформатор, тем более что в преобразователях постоянного напряжения в качестве ключей S3 и S4 используются неуправляемые полупроводниковые диоды, а контроллер управляет только ключами S1 и S2. Это тоже не будет ошибкой, ведь если проинтегрировать выпрямленное напряжение вторичных обмоток трансформатора (что, собственно, и делает фильтр нижних частот L1C2), то при правильной работе контроллера оно всегда будет равно U_ВЫХ.

Можно использовать и такой подход, однако при этом теряется суть энергетических процессов, происходящих в схеме. На практике это приводит к тому, что некоторые разработчики не до конца понимают роль дросселя на вторичной стороне. А ведь именно его режим работы определяет напряжения и токи всей силовой части схемы. Некоторые, особенно начинающие разработчики вообще считают, что роль фильтра нижних частот второстепенна и дроссель вообще можно исключить, оставив только конденсатор С2 (ведь это тоже фильтр нижних частот). Вот только силовая часть такого преобразователя при работе на емкостную нагрузку, скорее всего, выйдет из строя меньше, чем за секунду. Так же плачевно может закончиться переход магнитопровода дросселя в режим насыщения при перегрузке (увеличении мощности) преобразователя.

Поэтому лучше все-таки один раз, но основательно, разобраться в процессах, происходящих в схеме, и самое главное – понять, почему эти схемы приобрели именно такой вид. Только так можно стать настоящим профессионалом в области импульсного преобразования электрической энергии, ведь его возможности на сегодняшний день не только не исчерпаны, но еще и до конца не изучены.

Список источников

1. Русу А.П. Зачем нужен трансформатор в импульсном преобразователе электрической энергии? // Радиолоцман – 2018. – №9. – С.24 – 28 (Часть 1). – №10. – С.26 – 29 (Часть 2).
2. Русу А.П. «Откуда появились базовые схемы преобразователей».
3. Русу А.П. «Почему импульсные преобразователи «не любят» «легкую» нагрузку».
4. Русу А.П. «Почему обмотки дросселя обратноходового преобразователя могут иметь разное число витков».
5. Русу А.П. «Может ли ток в обмотке дросселя измениться мгновенно?»
6. Русу А.П. «В каком режиме должен работать магнитопровод дросселя импульсного преобразователя?»
7. Русу А.П. «Как определить размеры магнитопровода дросселя импульсного преобразователя».
8. Русу А.П. «Импульсное преобразование переменного тока».
9. Кадацкий А.Ф., Русу А.П. Анализ электрических и магнитных процессов в дросселях импульсных преобразователей электрической энергии // Технология и конструирование в электронной аппаратуре (ТКЭА) – 2016. – №6. – С.17 – 29.
10. Кадацкий А.Ф., Русу А.П. Анализ принципов построения и режимов работы импульсных преобразователей электрической энергии // Практическая силовая электроника. – 2016. – №2(62). – С.10 – 24.
11. Kadatskyy А.F., Rusu A.P. Determination of the necessary inductor core dimensions for switching electrical energy converters // Наукові праці ОНАЗ ім. О.С. Попова. – 2018. – №1. – С. 125–134.

Импульсный трансформатор

Одним из основных элементов импульсных источников питания является импульсный трансформатор. Особенность работы данного вида трансформатора заключается в том, что на вход подается периодическая последовательность импульсов одной полярности, содержащие постоянную составляющую тока.

В следствии чего, происходит непрерывное подмагничивание сердечника. Рассмотрим более детально работу импульсного трансформатора. Схема включения трансформатора изображена на рисунке 1 (а).

На рисунке 1 (б) приведены временные зависимости тока, напряжения и индукции во вторичной обмотке от напряжения на первичной обмотке:

Рисунок 1. Схема включения (а) и временные диаграммы (б) импульсного трансформатора.

Так как напряжение на входе имеет прямоугольную форму е(t) и период следования импульсов больше чем их длительность, то при положительном напряжении (интервал t_u ) индукция магнитного поля возрастает.

А когда напряжение на входе отсутствует (интервал (T−t_u)), индукция спадает по экспоненциальному закону. Скорость уменьшения и увеличения индукции сердечника трансформатора характеризуется постоянной времени, которая рассчитывается по формуле:

Индукция изменяется от максимального значения B_m до значения остаточной индукции B_r.

Данный процесс проиллюстрирован на рисунке 2. Рабочая точка на петле гистерезиса перемещается по частному циклу перемагничивания, что ведет к возрастанию минимально необходимых габаритов сердечника.

Рисунок 2. Перемещение рабочей точки в сердечнике импульсного трансформатора.

Следует обратить внимание, что напряжение на вторичной обмотке трансформатора U₂ содержит отрицательный выброс в следствии накопленной сердечником энергии, что обеспечивается током намагничивания i_μ.

Это линейный ток, который добавляется к импульсному току нагрузки. В результате чего импульсы входного тока (первичной обмотки) имеют форму трапеции.

Напряжение во вторичной обмотке рассчитывается по формуле:

где ψ – потокосцепление, s – сечение магнитопровода.

Так как производная от изменения постоянного тока в первичной обмотке при выбранных условиях имеет постоянное значение, то индукция сердечника импульсного трансформатора возрастает по линейному закону.

Это позволяет нам заменить производную разностью начальных и конечных значений временного интервала. Тогда предыдущая формула будет иметь следующий вид:

где Δt = t_u — длительность входного импульса напряжения

Немного видоизменим формулу, заменив Δt длительностью импульса t_u и умножим обе части формулы на эту величину:

Данное выражение описывает площадь импульса напряжения, передаваемого во вторичную обмотку, что является основной характеристикой импульсного трансформатора. Она зависит напрямую от перепада индукции, чем больше ΔB, тем больше площадь и соответственно тем лучше.

Величина ΔB определяется индуктивностью первичной обмотки, которая зависит от площади сечения сердечника, его магнитной проницаемости и количества витков провода:

Значительно влияет на индуктивность трансформатора магнитная проницаемость. Исходя из чего, при проектировании трансформатора выбирают магнитный материал с линейным участком кривой намагничивания, а также с наибольшим значением μ_а.

Выбранный магнитный материал должен обладать минимальным значением остаточной индукции В_r. В случае, если магнитный материал и тип обмотки не подходят, форма импульса значительно искажается, что негативно отражается на характеристиках трансформатора и приводит к появлению шумов в аппаратуре.

Из магнитных материалов для изготовления импульсных трансформаторов используются тонкие ленты трансформаторных сталей или пермаллой с малым коэффициентом прямоугольности:

В высокочастотных импульсных трансформаторах применяются ферритовые сердечники, так как они имеют малые динамические потери.