Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
МЭЭУ / МЭЭУ Лекция 4.doc
Скачиваний:
67
Добавлен:
27.03.2016
Размер:
3.26 Mб
Скачать

Лекция 4

Тема: Магнитные элементы электронных устройств

В лекции рассматриваются вопросы:

1. Классификация магнитных элементов

2. Катушки индуктивности

3. Трансформаторы

4. Дроссели

Литература

1 Классификация магнитных элементов

Магнитные элементы (МЭ) являются неотъемлемой частью всех электронных устройств. Несинусоидальность напряжений и токов, их повышенная частота (в том числе от гармонических составляющих) и другие отличительные свойства электронных устройств (ЭУ) определяют специфические требования к применяемым в этих устройствах МЭ, например: изготовление из особых магнитных материалов и проводников для обмоток, использование специальных конструктивных исполнений (тороидальные, чашечные, кабельные и др.), специальные расчеты режимов работы и частоты.

До появления электронных устройств магнитным элементам приходилось выполнять все задачи, которые сейчас возложены на электронную технику, превосходящую электромагнитные системы по быстродействию и массогабаритным показателям.

Однако, есть функции, которые электронные устройства не выполняют. К таковым относятся:

  • трансформирование напряжения переменного тока с увеличением его или уменьшением;

  • гальваническая развязка электрических цепей (нет электрических соединений для входных и выходных величин);

  • создание индуктивностей;

  • усиление сигналов при гальванической развязке входных и выходных цепей.

Внешне, по общему виду, магнитные элементы (МЭ) того или иного назначения трудно различить. По исполнению МЭ представляют собой магнитопровод с размещенными на нем «катушками» электрических проводников. В каждой катушке может располагаться одна или несколько обмоток МЭ. В целом, исполнение МЭ – их конструктивные формы и геометрия, выполнение обмоток (медные, алюминиевые, низковольтные и высоковольтные) и другие вопросы по изготовлению, определяются только технико-экономическими показателями. Принципиальное отличие МЭ по назначению в электрических цепях можно установить только по функциональному назначению обмоток элемента и соответствующему ему включению этих обмоток в электротехнической системе.

К магнитным элементам (МЭ), применяемым в электронных устройствах, выполняющим функции, названные выше, относятся:

  • трансформатор – повышает или понижает входное напряжение (рисунок 1,а);

  • дроссель (электромагнитный) – нерегулируемая индуктивность (рисунок 1,б);

  • дроссель насыщения – регулируемая индуктивность, или регулятор тока (рисунок 1, в, г);

  • магнитный усилитель – усилитель сигналов напряжения, тока и мощности с гальванической развязкой управляющих и силовых цепей (МУ с внешней положительной обратной связью по току, рисунок 1, д; МУС с внутренней положительной обратной связью по току, рисунок 1, е);

  • умножитель частоты – кратно, в 2, 3, 4, 6, …раз, увеличивает входную частоту с

гальванической развязкой входных и выходных цепей ;

  • делитель частоты (ступенчато, кратно 2, 3, 4, … раз)4

  • умножитель числа фаз;

  • фазосдвигатели и др.

Как уже было сказано, существует множество типов, модификаций и разновидностей магнитных элементов автоматики и вычислительной техники. Для систематизации изучения и выявления основных признаков элементов целесообразно их классифицировать. Классификация элементов по любому отдельно взятому признаку не дает достаточно четкой картины. Более полное представление о магнитных элементах могут дать многомерные классификации. Магнитные элементы можно классифицировать следующим образом:

По области применения:

  • измерительная техника;

  • преобразовательная техника;

  • информационная техника;

  • исполнительные и выходные устройства и др.

По функциональному назначению элемента:

  • элементы для физического преобразования сигнала;

  • элементы для информационного преобразования сигнала;

  • элементы для хранения информации и др.

По характеру используемых физических явлений и эффектов:

  • параметрические элементы;

  • магнитомодуляционные элементы;

  • гистерезисные элементы;

  • элементы, в которых используется внутренняя доменная структура ферромагнетика;

  • гальваномагнитные элементы;

  • магнитомеханические элементы;

  • магнитооптические элементы и др.

Использование МЭ в электронных устройствах обусловило многие их отличительные особенности. Вот некоторые из них:

  • МЭ ЭУ имеют много вариантов конструктивного исполнения, наиболее распространенные из которых – броневые, стержневые, тороидальные, чашечные, кабельные и др. В технических системах и в быту используются в основном – броневые конструкции, как наиболее простые и дешевые;

  • МЭ ЭУ имеют в обмотках синусоидальную форму напряжения лишь в частных случаях, когда они являются силовыми трансформаторами. В других случаях это напряжение далеко несинусоидальное, что дает высокочастотные гармоники. Более того, требуются специальные методики расчета электромагнитных процессов в цепях с МЭ;

  • в системах преобразования параметров электроэнергии МЭ ЭУ часто работают на высоких частотах от 1 кГц до 1МГц. Это требует применения для магнитопроводов ферромагнитных материалов с малыми потерями мощности на перемагничивание: текстурованных электротехнических сталей, сплавов типа пермаллой, прессованных из феррита или оксида и др. Высокие частоты влияют также на параметры обмоток МЭ: сечение, тип, многожильность и др.;

  • поскольку в устройствах преобразования параметров электроэнергии удельный вес магнитных элементов составляет по объему до 80%, то требуется их проектировать так, чтобы они имели минимальную стоимость и массу на единицу габаритной мощности. Это обусловливает особые соотношения линейных размеров магнитопровода, называемых оптимальными.

Важными показателями МЭ являются геометрические показатели. К геометрическим параметрам МЭ относятся линейные размеры магнитопровода и связанные с ними сечение магнитопровода Sc (в месте расположения на нем катушек с обмотками), сечение окна магнитопровода Sок, средняя длина силовой линии потока Lc, средняя длина витка обмоток катушки Lк, объемы магнитопровода и катушек Vc, Vк, поверхности охлаждения магнитопровода и катушек Пос, Пок.

Указанные геометрические показатели входят в состав формул для расчетов электромагнитных величин МЭ: входной (габаритной) мощности, рабочей индукции, плотности тока, числа витков обмоток, температуры нагрева, коэффициента полезного действия и других.

В отечественной технической литературе и литературе зарубежных стран приняты следующие обозначения (строчными латинскими буквами) линейных размеров магнитопровода (показаны в таблице 1):

a – ширина и b – толщина сердечника, на котором расположена катушка с первичной обмоткой;

h, с – высота и ширина окна, соответственно;

hк, ск – высота и толщина катушки.

Очень удобно пользоваться при расчетах относительными размерами магнитопровода, когда за базисную величину берется его ширина окна а, Тогда имеем для конструкций:

;

;

.

Рисунок 1

Одной из наиболее распространенных групп магнитных элементов является группа для физического преобразования сигнала. Под магнитными элементами для физического преобразования сигнала будем понимать такие элементы, в которых от входа к выходу меняются или поддерживаются в заданных пределах физические характеристики сигнала (мощность, частота, напряжение и т.д.), но не меняется его информационная сущность. К таким элементам относятся магнитные усилители, в том числе управляемые дроссели и трансформаторы, ферромагнитные формирователи импульсов, стабилизаторы, генераторы, преобразователи частоты, модуляторы и т.д.

Таблица 1 Формулы для геометрических показателей МЭ

Здесь: НЗ – неполное заполнение окна; ПЗ – полное заполнение окна.