3. Импульсные автотрансформаторы

   1. 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 .16). 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.3.16. Схема замещения импульсного трансформатора

Так как анализ процесса в схеме Рис. 3 .16 получается затруднительным, то эту схему без большой погрешности можно упростить, учитывая, что L1 ≈ ∞ по сравнению сL_sи. Тогда, при приложении прямоугольного импульса напряжения к первичной обмотке и учете влияния вихревых токов сердечника в виде сопротивленияr_вх, упрощенная схема замещения импульсного трансформатора примет вид приведенный на Рис. 3 .17.

Рис.3.17. 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 .17, 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 Т₁определяет 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 .18).

Рис.3.18. 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_μза время длительности импульса напряжения также нарастает по линейному закону (см. Рис. 3 .18).

К моменту окончания действия импульса напряжения t= τ_иприращение 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 В₀и коэрцитивной силойH_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 .19).

Рис.3.19. Процесс намагничивания импульсного трансформатора

Предельная петля частного цикла определяет магнитную проницаемость μ_Δна 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 В₀и высоким значением индукции насыщенияВ_m(см. Рис. 3 .19). Это позволяет тогда получать достаточно высокие приращения индукции в сердечниках трансформаторов.