Расчет согласующего трансформатора на ферритовом кольце. Как рассчитать и намотать импульсный трансформатор для полумостового блока питания? Как намотать импульсный трансформатор

Принцип подсчета количества витков:

Синий провод - 1 виток,
Красный провод - 1,5 витка.

Balun 50 / 300

Начинаем с того, что наматываем 2,5 витка (голубой цвет ), исходя из требуемого сопротивления 300 Ом. Другой конец провода соединяем с массой на уровне подключения входа. Это будет общая точка массы. Беря начало из точки массы наматываем новые 2,5 витка провода (зеленый цвет ) которые заканчивают обмотку 300 ом. Опять начиная с точки массы, наматываем еще 2 витка провода (красный цвет ) который подключаем к входному разъему (PL).

Диаметр провода определяется возможностью уместить обмотки в ферритовой трубке.

(Прим. UA4AEU-Максимально толстым проводом.

Заполнение всего отверстия. Полным и равномерным заполнением окна сердечника можно добиться меньшего "завала" на ВЧ диапазонах.

Короткие выводы.

При желании иметь бОльшую мощность устройства, нужно стремиться не к увеличению числа трубок, а к увеличению сечения каждой трубки. А количество трубок должно быть минимальным, т.е. всего 2, но "толстых"!

Не забываем, что чем больше реактивная составляющая в нагрузке, тем хуже для трансформатора. )

Следуя этому принципу мы можем осуществить различные согласования, соблюдая количество витков в соответствии с таблицей:

На эквиваленте нагрузки измеренный КСВ не превышает 1,5 в диапазоне от 1 до 30 MHz.

Измеренные потери составили 0,4 dB.

(Прим. UA4AEU- можно добиться КСВ 1,1 компенсируя реактивность небольшой емкостью на входе или выходе балуна (подбирается экспериментально на самой высокой частоте.

При подключении к антенне возможен небольшой уход резонансной частоты АНТ.).

Исходя из размера, обмотка может быть выполнена из эмалированного жесткого провода. Легче выполнить обмотку из гибкого изолированного провода.

Различные типы трансформаторного оборудования применяются в электронных и электротехнических схемах, которые востребованы во многих сферах хозяйственной деятельности. Например, импульсные трансформаторы (далее по тексту ИТ) – важный элемент, устанавливаемый практически во всех современных блоках питания.

Конструкция (виды) импульсных трансформаторов

В зависимости от формы сердечника и размещения на нем катушек, ИТ выпускаются в следующих конструктивных исполнениях:

• стержневом;
  
• броневом;
  
• тороидальном (не имеет катушек, провод наматывается на изолированный сердечник);
  
• бронестержневом;
  

На рисунках обозначены:

• A – магнитопроводный контур, выполненный из марок трансформаторной стали, изготовленной по технологии холодного или горячего металлопроката (за исключением сердечника тороидальной формы, он изготавливается из феррита);
• В – катушка из изолирующего материала
• С – провода, создающие индуктивную связь.

Заметим, что электротехническая сталь содержит мало добавок кремния, поскольку он становится причиной потери мощности от воздействия вихревых токов на контур магнитопровода. В ИТ тороидального исполнения сердечник может производится из рулонной или ферримагнитной стали.

Пластины для набора электромагнитного сердечника подбираются толщиной в зависимости от частоты. С увеличением этого параметра необходимо устанавливать пластины меньшей толщины.

Принцип работы

Основная особенность трансформаторов импульсного типа (далее ИТ) заключается в том, что на них подаются однополярные импульсы с постоянной токовой составляющей, в связи с чем магнитопровод находится в состоянии постоянного подмагничивания. Ниже показана принципиальная схема подключения такого устройства.

Как видите, схема подключения практически идентична с обычными трансформаторами, чего не скажешь о временной диаграмме.

На первичную обмотку поступают импульсные сигналы, имеющие прямоугольную форму е (t) , временной интервал между которыми довольно короткий. Это вызывает возрастание индуктивности во время интервала t u , после чего наблюдается ее спад в интервале (Т-t u).

Перепады индукции происходят со скоростью, которую можно выразить через постоянную времени по формуле: τ p =L 0 /R н

Коэффициент, описывающий разность индуктивного перепада, определяется следующим образом: ∆В=В max – В r

• В max – уровень максимального значения индукции;
• В r –остаточный.

Более наглядно разность индукций представлена на рисунке, отображающем смещение рабочей точки в магнитопроводном контуре ИТ.

Как видно на временной диаграмме, вторичная катушка имеет уровень напряжения U 2 , в котором присутствуют обратные выбросы. Так проявляет себя накопленная в магнитопроводе энергия, которая зависит от намагничивания (параметр i u).

Импульсы тока проходящего через первичную катушку, отличаются трапецеидальной формой, поскольку токи нагрузки и линейные (вызванные намагничиванием сердечника) совмещаются.

Уровень напряжения в диапазоне от 0 до t u остается неизменным, его значение е t =U m . Что касается напряжения на вторичной катушке, то его можно вычислить, воспользовавшись формулой:

при этом:

• Ψ – параметр потокосцепления;
• S – величина, отображающая сечение магнитопроводного сердечника.

Учитывая, что производная, характеризующая изменения тока, проходящего через первичную катушку, является постоянной величиной, нарастание уровня индукции в магнитопроводе происходит линейно. Исходя из этого, допустимо вместо производной внести разность показателей, сделанных через определенный интервал времени, что позволяет внести изменения в формулу:

в этом случае ∆t будет отождествляться с параметром t u , который характеризует длительность, с которой протекает входной импульс напряжения.

Чтобы вычислить площадь импульса, с которым напряжение образуется во вторичной обмотке ИТ, необходимо обе части предыдущей формулы умножить на t u . В результате мы придем к выражению, которое позволяет получить основной параметр ИТ:

U m x t u =S x W 1 x ∆В

Заметим, что от параметра ∆В прямо пропорционально зависит величина площади импульса.

Вторая по значимости величина, характеризующая работу ИТ, – перепад индукции, на него влияют такие параметры, как сечение и магнитная проницаемость сердечника магнитопровода, а также числа витков на катушке:

Здесь:

• L 0 – перепад индукции;
• µ а – магнитная проницаемость сердечника;
• W 1 – число витков первичной обмотки;
• S – площадь сечения сердечника;
• l cр – длинна (периметр) сердечника (магнитопровода)
• В r – величина остаточной индукции;
• В max – уровень максимального значения индукции.
• H m – Напряженность магнитного поля (максимальная).

Учитывая, что параметр индуктивности ИТ полностью зависит от магнитной проницаемости сердечника, при расчета необходимо исходить из максимального значения µ а, которое показывает кривая намагничивания. Соответственно, что у материала, из которого делается сердечник, уровень параметра В r , отображающий остаточную индукцию, должен быть минимальным.

Видео: подробное описание принципа работы импульсного трансформатора

Исходя из этого, в качестве на роль материала сердечника ИТ, идеально подходит лента, изготовленная из трансформаторной стали. Также можно применять пермаллой, у которого такой параметр как коэффициент прямоугольности, минимальный.

Высокочастотным ИТ идеально подходят сердечники из ферритовых сплавов, поскольку этот материал отличается незначительными динамическими потерями. Но из-за его низкой индуктивности приходится делать ИТ больших размеров.

Расчет импульсного трансформатора

Рассмотрим, как необходимо производить расчет ИТ. Заметим, КПД устройства напрямую связано с точностью вычислений. В качестве примера возьмем схему обычного преобразователя, в которой используется ИТ тороидального вида.

В первую очередь нам потребуется вычислить уровень мощности ИТ, для этого воспользуемся формулой: Р=1,3 х Р н.

Значение Р н отображает, сколько мощности будет потреблять нагрузка. После этого рассчитываем габаритную мощность (Р гб), она должна быть не меньше мощности нагрузки:

Необходимые для вычисления параметры:

• S c – отображает площадь сечения тороидального сердечника;
• S 0 – площадь его окна (как наитии это и предыдущее значение показано на рисунке);

• В макс – максимальный пик индукции, она зависит от того, какая используется марка ферромагитного материала (справочная величина берется из источников, описывающих характеристики марок ферритов);
• f – параметр, характеризующий частоту, с которой преобразуется напряжение.

Следующий этап сводится к определению количества витков в первичной обмотке Тр2:

(полученный результат округляется в большую сторону)

Величина U I определяется выражением:

U I =U/2-U э (U – питающее преобразователь напряжение; U э – уровень напряжения, поступающего на эмиттеры транзисторных элементов V1 и V2).

Переходим к вычислению максимального тока, проходящего через первичную обмотку ИТ:

Параметр η равен 0,8, это КПД, с которым должен работать наш преобразователь.

Диаметр используемого в обмотке провода вычисляется по формуле:

Если у вас возникли проблемы с определением основных параметров ИТ, в интернете можно найти тематические сайты, позволяющие в онлайн режиме рассчитать любые импульсные трансформаторы.

2) ШПТЛ должен быть нагружен по входу и выходу на АКТИВНЫЕ нагрузки равные примерно волновому сопротивлению линий из которых он сделан.

Типовой пример: Наш брат — радиолюбитель применяет для “симметрирования” антенн огромные по величине ферритовые кольца возле полотна. Однако описанный выше эксперимент с активными нагрузками показывает, что колечко диаметром в 10…20 мм выдерживает мощность в 100 Вт и не нагревается! Так где же правда? Правда, в том, что антенна (диполь или рамка) имеет низкое активное сопротивление ТОЛЬКО на одной единственной частоте, частоте первой гармоники антенны. Высокие активные сопротивления, которые имеются на четных гармониках, на практике неприменимы. Низкоомные резонансы на нечетных верхних гармониках попадают уже не в радиолюбительские диапазоны. А на остальных частотах ВСЕГДА будут присутствовать значительные реактивности. Они вызывают сильный нагрев кольца и поэтому оно должно иметь большую поверхность охлаждения т.е. быть БОЛЬШИМ. К примеру, в импортных стоваттных трансиверах на выходе ПА стоят микроскопические ферритовые бинокли. И… НИЧЕГО! Это не из-за того, что они сделаны из диковинного материала. Просто одно из требований к выходной нагрузке для таких трансиверов — что бы она была АКТИВНОЙ. (Другое требование – 50 Ом). Следует опасаться тех публикаций, где рекомендуют мотать строго определенное число витков для ВЧ трансформатора. Это признак еще одной “болезни сознания” — квазирезонансного использования ШПТЛ-а. Вот от туда “ростут ноги” у легенды о необходимости применять ВЧ ферриты. Но… Широкополосности то уже НЕТ!

Теперь про упомянутые 1:1 и 1:2… В школьном курсе физики коэффициент трансформации — это соотношение витков первичной и вторичной обмоток. Т.е. соотношение входных и выходных напряжений. Почему же у радиолюбителей этот параметр превратился “по умолчанию” в коэффициент трансформации сопротивлений? Да потому, что трансформация сопротивлений более важна в нашей среде. Но не следует доходить до апсурда! Вот разговор подслушанный в эфире – два радиолюбителя обсуждают как сделать тансформатор с 50 на 75 Ом. Один предлагает мотать его с соотношением витков 1:1,5. И когда им кто-то робко возражает, в ответ слышны только обвинения в технической неграмотности. И подобное случается на каждом шагу! А всего лишь — ТЕРМИНЫ! Получается, что великий закон сохранения энергии для них не действует и можно при напряжении на входной обмотке, предположим 1 Вольт, подавая на 50-ти омный вход трансформатора мощность 20 мВт, на 75-ти оммном выходе снимать уже 30 мВт. Вот такой “вечный двигатель” получается! Здесь всего то лишь надо помнить, что коэффициент трансформации сопротивлений находится в квадратичной зависимости от коэффициента трансформации напряжений. Другими словами трансформатор 1:2 будет трансформировать сопротивление 50 Ом в 200 Ом, а трансформатор 5:6 сопротивление 50 Ом в 75 Ом. Почему я написал 5:6, а не 1:1,2? Вот здесь – один шаг до конструкции. Как уже говорилось, ШПТЛ должен мотаться линией. А линия – это два или несколько сложенных вместе и слегка скрученных провода. Волновое сопротивление такой линии зависит от диаметра проводов, расстояния между их центрами и шага скрутки. Для трансформации 50 Ом в 75 Ом необходимо использовать линию из ШЕСТИ проводов и, если нет требования к симметрированию, соединить эти провода по схеме

Как вы заметили, схема тоже нарисована по-особому, не как обычный трансформатор. Такое изображение лучше отражает суть конструкции. Привычное схемное изображение, Рис.2, и, соответственно, “традиционная” конструкция автотрансформатора с однослойной обмоткой и отводом от 0,83 общего количества витков при практических испытаниях “на столе” показывает гораздо худшие результаты по широкополосности.

По конструктивным и эксплуатационным соображениям нежелательно так же делать ШПТЛ с укороченным участком одной из линий. Рис.3. Несмотря на то, что это позволяет легко делать любые, даже дробные, коэффициенты трансформации. Такое решение приводит к появлению неоднородности в линии, вследствии чего ухудшается широкополосность.

Интересный вопрос: — “Какие предельные коэффициенты трансформации можно получить в ШПТЛ?” Особенно интересно найти ответ на этот вопрос тем, кто “заболел” идеей сделать широкополосный апериодический ламповый усилитель мощности, где необходимо трансформировать сопротивление порядка 1..2 КОм со стороны лампы в сопротивление 50 Ом. Эксперимент “на столе” дает довольно интересный результат. Опять здесь все зависит от конструкции обмоток. К примеру, если сделать “традиционный” трансформатор или автотрансформатор с коэффициентом трансформации, предположим, 1:10, нагрузить его на положенное активное сопротивление, равное 5 КОм и промерить КСВ на пятидесятиоммной стороне, то от результата волосы могут встать дыбом! А если в добавок снять АЧХ, то будет понятно, что от широкополосности ничего не осталось. Имеется один явный, довольно острый резонанс, обусловленный индуктивностью.

Эту больную тему можно было бы еще развивать до бесконечности, но… Все затмила конструкция широкополосного симметрирующего трансформатора на трансфлюксоре (двухдырочном ферритовом сердечнике) Рис.4, которую мне удалось “подсмотреть” в импортной антенне для телевизора типа “усы”. Изображение на рисунку конечно схематическое — на самом деле обмотки состоят из нескольких (3…5) витков. Долго с недоумением я рассматривал его конструкцию, пытаясь понять систему намотки. Наконец удалось нарисовать расположение “обмоток”. Вот уж – пример использования истинных длинных линий!

Если бы я не знал,что это линии, то подумал бы, что я сумасшедший! Особенно эта красная короткозамкнутая обмотка… Но, почему же мы не удивляемся в случае, когда, например в кабельном U-колене, необходимо соединить в одной точке оплетку с двух концов коаксиального кабеля. Тоже, ведь – ЛИНИЯ! При настольном эксперименте на эквивалент нагрузки этот микротрансформатор, предназначенный для работы на частотах в сотни мегагерц, показал великолепные результаты на значительно более низких частотах, вплоть до диапазона 40 м и при полной мощности трансивера.

Попутно разберемся с легендами о симметричности и симметрировании. Выясним, как очень просто определить является ли тот или иной ШПТЛ симметрирующим, или авторы только заявляют об этом свойстве, а симметрии там и в помине нет. Тут нам снова поможет “Его Величество – Эксперимент” и “Его высочество – теоретический анализ результатов эксперимента”. Сперва разберемся, что такое симметричный выход и чем он отличается от несимметричного. Оказывается тут все зависит от конструкции трансформатора. Вот, например, самый простой случай – ШПТЛ с коэффициентом трансформации 1:1. Любой настоящий или мнимый ШПТЛ (Бывают и такие! И не редко!) можно легко проверить с помощью своего домашнего трансивера. Достаточно присоединить к выходу трансформатора активную нагрузку (эквивалент) с сопротивлением, соответствующим к-ту трансформации, и проверить КСВ на 50-ти омном входе при максимальной мощности передатчика (максимальная точность КСВ метра) в заданном диапазоне частот. Если ШПТЛ настоящий, то КСВ должен быть близок к идеалу т.е. 1,0 и в ШИРОКОЙ полосе частот (на то он и ШИРОКОПОЛОСНЫЙ трансформатор!) Желательно иметь открытый на передачу трансивер с непрерывным перекрытием и не в коем случае не включать внутренний антенный тюнер. Свойство симметрии проверяется при приеме с помощью ПАЛЬЦА (не 21-го! Хотя, можно и им!). Симметрия — суть РАВНОПРАВИЕ обеих выводов нагрузки относительно земли (корпуса трансивера). При приеме какой-либо станции (можно вещательной, это удобнее…) при прикосновении ПАЛЬЦЕМ или отверткой к концам нагрузки, присоединенной к СИММЕТРИЧНОМУ выходу ШПТЛ, по показаниям S-метра и на слух все должно быть одинаково. Но уровень сигнала должен быть на один бал (-6 дБ или два раза по U) меньше на каждом несимметричном выходе. (это в случае к-та трансформации 1:1). В качестве нагрузки кратковременно даже для 100 Вт передачи удобно применять резистор МЛТ-2 на 51 Ом. При этом наблюдается интересный эффект — во время приема синала через симметрирующий транс, при проведении ПАЛЬЦЕМ по корпусу этого резистора с одного края будет слышна радиостанция, в центре резистора — ее слышно не будет, а с другого края — будет слышно так же, как с первого. Только при таких условиях трансформатор можно считать симметрирующим. Попробуйте разные конструкции ШПТЛ-ов, которые публикуются в литературе и в интернете. Результаты Вас могут сильно удивить…

Короче! Делайте свой смеситель на любом кольце с НЧ ферритом. Испытаете — напишите! Экспериментируйте смелее!

Сергей Макаркин, RX3AKT

Ферритовая трубка обладает одним большим достоинством - её несложно найти на сигнальном кабеле старого ЭЛТ монитора или купить такой кабель в компьютерном магазине. Обладая достаточной для КВ широкополостностью (порядка 1- 30 МГц) она позволяет реализовывать дешевле по цене антенны для трансивера. Принцип подсчета количества витков:

Синий провод-1 виток, Красный провод-1,5 витка.

Симметрирующий трансформатор на ферритовых трубках 50 / 300 Ом

Начинаем с того, что наматываем 2,5 витка (голубой цвет), исходя из требуемого сопротивления 300 Ом. Другой конец провода соединяем с массой на уровне подключения входа. Это будет общая точка массы. Беря начало из точки массы, наматываем новые 2,5 витка провода (зеленый цвет), которые заканчивают обмотку 300 Ом. Опять начиная с точки массы, наматываем еще 2 витка провода (красный цвет), который подключаем к входному разъему (PL). Диаметр провода определяется возможностью уместить обмотки в ферритовой трубке.

Примечание: Максимально толстым проводом.

Заполнение всего отверстия. Полным и равномерным заполнением окна сердечника,можно добиться меньшего "завала" на ВЧ диапазонах. Короткие выводы.

При желании иметь большую мощность устройства, нужно стремиться не к увеличению числа трубок, а к увеличению сечения каждой трубки. А количество трубок должно быть минимальным, т.е. всего 2, но "толстых"!

Не забываем, что чем больше реактивная составляющая в нагрузке, тем хуже для трансформатора. Следуя этому принципу, мы можем осуществить различные согласования, соблюдая количество витков в соответствии с таблицей:

На эквиваленте нагрузки измеренный КСВ не превышает 1,5 (в диапазоне от 1 до 30 МГц).

Измеренные потери составили 0,4 dB.

(Прим. UA4AEU- можно добиться КСВ 1,1, компенсируя реактивность небольшой емкостью на входе или выходе балуна (подбирается экспериментально на самой высокой частоте).

При подключении к антенне возможен небольшой уход резонансной частоты антенны. Исходя из размера, обмотка может быть выполнена из эмалированного жесткого провода. Легче выполнить обмотку из гибкого изолированного провода.