3.2. Особенности работы импульсного трансформатора

Особенности работы импульсного трансформатора обусловлены прежде всего импульсным характером поступающих на его вход сигналов и требованиями к сохранению их формы на вторичной стороне. Высокая скорость нарастания и спада фронтов импульса означает наличие в нем высокочастотных гармонических составляющих. Отсюда возникает проблема высокочастотных потерь в материале сердечника трансформатора, которые быстро растут с ростом частоты.

Следующая проблема связана с высокой крутизной перепада токов, протекающих в обмотках трансформатора, что приводит к импульсным перенапряжениям на них, и как следствие обусловливает повышенные требования к изоляции между обмотками, внутри обмоток и с обмоток на корпус.

Нельзя не отметить роль паразитных межобмоточных и межвитковых емкостей, а также индуктивностей рассеивания обмоток трансформатора, которые приводят к снижению показателей его работы и искажению формы выходного сигнала.

Все изложенное выше позволяет сформулировать ряд основных требований к конструкции трансформатора: паразитные емкости и индуктивности должны быть минимальными; то же относится и к потерям в сердечнике; должна быть обеспечена качественная изоляция между витками и обмотками.

Есть еще одна существенная особенность в работе импульсного трансформатора обусловлена использованием его в схемах с однополярными импульсами тока (примером такой схемы является схема блокинг-генератора на рис. 3.2, поскольку ток коллектора может протекать через первичную обмотку только в одном направлении). В результате происходит подмагничивание сердечника трансформатора и как следствие не полностью используется кривая намагничивания, уменьшается динамическая магнитная проницаемость, растут потери в сердечнике.

Рассмотрим более подробно процесс намагничивания сердечника трансформатора (рис. 3.1), на первичную обмотку которого подано однополярное напряжение прямоугольной формы U₁. Вторичная обмотка пусть будет разомкнута.

Предположим, что до подачи первого импульса сердечник трансформатора (вместо трансформатора может быть простой дроссель) находился в состоянии начального намагничивания (B =B_r1,H = 0).

С приходом первого импульса рабочая точка Аперемещается по основной кривой намагничивания (изображено на рис. 3.4 тонкой линией, выходящей из начала координат), и в момент окончания импульса индукция достигает значенияB₁, а напряженность значенияН₁.

Рис. 3.4

После окончания импульса намагничивающий ток в первичной обмотке и напряженность магнитного поля упадут до нуля. Однако вследствие гистерезиса начальная индукция примет новое значение B =B_r2. Следующий импульс вызовет перемещение рабочей точки уже по восходящей ветви частного гистерезисного цикла, в результате чего индукция примет новое значениеВ₂. Процесс будет проходить аналогичным образом до тех пор, пока рабочая точкаАне достигнет значенийВ =В_r,H = 0. Воздействие всех последующих импульсов в конечном счете приведет к тому, что точкаАбудет перемещаться по ветвям частного цикла, характеризуемого остаточной индукциейB_rи напряженностьюH_A.. Именно этот цикл является циклом, определяющим электромагнитные процессы в магнитопроводе при воздействии однополярных импульсов напряжения. Чем выше остаточная индукция, тем меньше возможное приращение индукции, вызывающее переход материала сердечника в насыщение, и, следовательно, недостаточно эффективно используется магнитопровод. Как правило, даже у лучших ферромагнетиков остаточная индукция примерно равна половине индукции насыщения, а наиболее распространенным приемом для ее уменьшения является введение воздушного зазора в магнитопровод.

Рассмотрим ряд основополагающих соотношений, характеризующих электромагнитные процессы в первичной обмотке трансформатора при разомкнутой вторичной. На обмотку с числом витков W₁ подадим прямоугольный импульс с амплитудойU₁ и длительностьюt_и.

Согласно закону электромагнитной индукции приложенное к обмотке напряжение уравновешивается ЭДС:

=, (3.1)

или

, (3.2)

где Ф – поток магнитной индукции (Вб·м²);B– магнитная индукция (тл);S– сечение магнитного сердечника (м²),t– время (сек).

Проинтегрируем последнее выражение и получим зависимость

, (3.3)

в которой В(0) представляет начальное значение индукции в моментt = 0.

Изменение же индукции оказывается равным:

. (3.4)

При прямоугольной форме входного импульса с амплитудой U₁ из (3.4) интеграл представляется линейной функцией от времени

, (3.5)

достигающей максимального значения в момент t =t_и;

. (3.6)

Для нахождения тока в первичной обмотке трансформатора обратимся к закону полного тока, согласно которому интеграл по замкнутому контуру (например, по l_c) равен

, (3.7)

где H– напряженность магнитного поля (А/м);l_c– длина силовой линии (м).

Принимая напряженность поля одинаковой во всех сечениях магнитного сердечника постоянной и ток i₁ =i_(ток холостого хода), получим:

. (3.8)

Так как ток и напряжение на индуктивности связаны уравнением:

, (3.9)

то при U₁ =constток холостого хода нарастает линейно, принимая максимальное значение приt =t_и:

. (3.10)

Формула (3.10) позволяет определить индуктивность первичной обмотки через ее физические и геометрические параметры, записав дополнительно:

B=₀H, (3.11)

где ₀= 4π·10^–7–магнитная постоянная (Гн/м),– относительная магнитная проницаемость.

Используя выражения (3.6), (3.8), (3.10), (3.11), найдем:

,

откуда

. (3.12)

Обратим внимание на зависимость магнитной проницаемости от постоянной составляющей тока, протекающего по обмотке W₁, что объясняется переходом рабочей точки на частную петлю гистерезиса, как это показано на рис. 3.4. Вследствие этого уменьшается индуктивностьL₁ и растет ток намагничивания – ток холостого хода первичной обмотки.

Как изменится ток первичной обмотки, если ко вторичной обмотке трансформатора подключить нагрузку R_н (рис. 3.1)? В этом случае токi₁ определится как сумма токов намагничивания и приведенного тока нагрузки:

, (3.13)

где

,

(3.14)

– коэффициент трансформации.