Импульсные автотрансформаторы

Общие сведения

Под импульсным трансформатором понимается специальный трансформатора, который служит для трансформации кратковременных импульсов напряжения приблизительно прямоугольной формы длительностью порядка нескольких микросекунд и менее, периодически повторяющихся с частотой примерно 500 – 2000 Гц или более. В некоторых случаях частота следования импульсов может быть значительно выше указанной. Эти трансформаторы находят широкое применение в технике радиолокации, телевидения и импульсной радиосвязи. При помощи их в этих областях техники осуществляется:

- повышение амплитуды импульса напряжения,

- согласование полных сопротивлений источника напряжения и нагрузки,

- изменение полярности импульсов и межкаскадная связь в усилителях.

Импульсные трансформаторы должны удовлетворять требованию возможно меньшего искажения передачи формы трансформируемых импульсов напряжения. Искажение формы этих импульсов обусловливается возникновением в трансформаторах паразитных переходных процессов вследствие наличия в них емкостей и индуктивностей рассеяния обмоток. Эти параметры обмоток являются значительным препятствием прохождению через трансформатор очень коротких импульсов напряжения.

Для уменьшения искажения формы трансформируемых импульсов напряжения необходимо при проектировании импульсных трансформаторов стремиться к возможно большему уменьшению указанных параметров их обмоток путем применения сердечников из специальных магнитных сплавов и использования обмоток надлежащей конструкции. При этом большое значение имеет уменьшение размеров сердечника и числа витков обмоток.

Для анализа переходных процессов в импульсных трансформаторах обычно пользуются схемой замещения трансформатора, учитывающей как индуктивности, так и паразитные емкости обмоток (рис. 3.1). В этой схеме используются следующие условные обозначения:

е_и – ЭДС источника питания;

R_и – активное сопротивление источника питания;

С₁ – суммарная емкость первичной обмотки трансформатора и источника питания;

r₁ – активное сопротивление первичной обмотки

L_s – индуктивность намагничивания обмоток;

L₁ – индуктивность намагничивания трансформатора;

– суммарная емкость вторичной обмотки и нагрузки, приведенное к числу витков первичной;

– активное сопротивление вторичной обмотки, приведенное к числу первичной;

– активное сопротивление нагрузки, приведенное к числу витков первичной обмотки трансформатора.

Рис. 3.1. Схема замещения импульсного трансформатора

Так как анализ процесса в схеме рис. 3.1 получается затруднительным, то эту схему без большой погрешности можно упростить, учитывая, что L1 ≈ ∞ по сравнению с L_s и . Тогда, при приложении прямоугольного импульса напряжения к первичной обмотке и учете влияния вихревых токов сердечника в виде сопротивления r_вх, упрощенная схема замещения импульсного трансформатора примет вид приведенный на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Упрощенная схема замещения импульсного трансформатора

В этой схеме

.

Далее обозначим

; ; , (3.1)

где z_т– волновое сопротивление трансформатора;

– паразитная постоянная времени трансформатора; параметр, определяющий характер переходного процесса в трансформаторе:

. (3.2)

Как показывает решение дифференциальных уравнений переходных процессов в импульсном трансформаторе по схеме на рис. 3.2, при приложении к первичной обметке его прямоугольного импульса напряжения относительная величина трансформируемого вторичного напряжения будет равна

а) при колебательном процессе в обмотках (ρ < 1)

, (3.3)

где

; ; (3.3)

б) при апериодическом процессе в обмотках (ρ > 1)

, (3.4)

где

(3.5)

При данном значении параметра ρ паразитная постоянная времени Т₁ определяет длительность импульса фронта трансформируемого импульса напряжения. Поэтому эта постоянная времени должна быть возможно малой по сравнению с длительностью импульса τ_и, чтобы искажение последнего было минимальным. Если фронт импульса составляет величина τ_ф, то паразитная постоянная должна быть . Например, при τ_и = 1 мкс и τ_ф = 0,1 мкс паразитная постоянная будет составлять

;

Если к первичной обмотке импульсного трансформатора при разомкнутой вторичной подводится прямоугольный импульс напряжения u₁ = U₁ = const, то скорость изменения индукции в сердечнике трансформатора должна быть постоянной, так как

;

следовательно, индукция в сердечнике B_c = f(t) должна нарастать во времени по линейному закону (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Переходные процессы в импульсном трансформаторе

Приращение индукции в сердечнике будет равно:

, (3.6)

где W₁ – число витков первичной обмотки;

S_c – поперечное сечение стержня сердечника, см²;

U₁ – амплитуда импульса первичного напряжения, В;

t – время, мкс.

При линейном нарастании во времени индукции в сердечники намагничивающий ток импульсного трансформатора i_μ за время длительности импульса напряжения также нарастает по линейному закону (см. рис. 3.3).

К моменту окончания действия импульса напряжения t = τ_и приращение индукции в сердечнике, согласно уравнению (3.6) достигнет вполне определенной величины:

[Гс]. (3.6)

При периодическом намагничивании сердечника импульсного трансформатора в нем имеет место явление гистерезиса характеризуемое определенной петлей с остаточной индукцией В₀ и коэрцитивной силой H_к. В этом случае при периодически повторяющихся с определенной частотой прямоугольных импульсах напряжения длительностью τ_и (мкс) процесс намагничивания сердечника трансформатора будет протекать по ряду частных циклов, пока не достигнет определенного частного цикла петли гистерезиса (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Процесс намагничивания импульсного трансформатора

Предельная петля частного цикла определяет магнитную проницаемость μ_Δ на этом цикле:

, (3.7)

где W₁ – число витков первичной обмотки;

Для импульсного режима работы трансформатора наиболее подходящим являются такие магнитные материалы, которые обладают низкой величиной остаточной индукции В₀ и высоким значением индукции насыщения В_m (см. рис. 3.4). Это позволяет тогда получать достаточно высокие приращения индукции в сердечниках трансформаторов .