ТРАНСФОРМАТОР
TRANSFORMER

Изобретение относится к электротехнике, предназначено для применения в трансформаторах, используемых в устройствах и технических системах различного назначения.
Одним из существенных недостатков известных трансформаторов является то, что участок плато на их АЧХ, характеризующий ширину полосы пропускания, имеет провалы и подъемы, что влияет на качество преобразования входного напряжения в трансформаторе. В этом случае для улучшения АЧХ используемых в электрических системах трансформаторов применяются такие конструктивные методы, как секционирование обмоток, различные способы намотки трансформаторов, а также применение сердечников различной формы (Г.С.Цыкин. Трансформаторы низкой частоты, М.: Связьиздат. 1955 г., с.281; С.С.Вдовин. Проектирование импульсных трансформаторов. Л.: Энергоатомиздат, 1991 г., с.13)
Широко известны наиболее близкие к предлагаемому изобретению трансформаторы, содержащие магнитопровод, первичную обмотку, вторичную обмотку и подключенный к крайним выводам первичной обмотки корректирующий конденсатор (см. статью В.М.Хахарев Приемник «Рекорд», журнал «Радио» №8-9, 1946, с.17-18, рис.1, выходной трансформатор, соединенный с громкоговорителем).
Подключение корректирующего конденсатора параллельно всей первичной обмотке не обеспечивает полного сглаживания провалов на АЧХ трансформатора.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, - улучшение АЧХ трансформатора путем обеспечения полного сглаживания на ней провалов и подъемов.
Данный технический результат достигается за счет того, что в трансформаторе по первому варианту выполнения, содержащем магнитопровод, первичную обмотку, вторичную обмотку и соединенный с первичной обмоткой корректирующий конденсатор, согласно изобретению корректирующий конденсатор подсоединен параллельно части первичной обмотки таким образом, что первый вывод корректирующего конденсатора соединен с первым крайним выводом первичной обмотки соединенным с источником переменного напряжения, а между местом соединения второго вывода корректирующего конденсатора с первичной обмоткой и вторым крайним выводом первичной обмотки расположена часть первичной обмотки.
В варианте трансформатора, в котором первичная обмотка включает две секции, место соединения второго вывода корректирующего конденсатора с первичной обмоткой расположено между ее секциями.
В варианте трансформатора, в котором первичная обмотка включает три секции, место соединения второго вывода корректирующего конденсатора с первичной обмоткой расположено между ее первой и второй секциями или второй и третьей секциями, считая от ее первого крайнего вывода.
В варианте трансформатора, в котором первичная обмотка включает четыре секции, место соединения второго вывода корректирующего конденсатора с первичной обмоткой расположено между ее первой и второй секциями, или второй и третьей секцией, или между третьей и четвертой секциями, считая от ее первого крайнего вывода.
Технический результат также достигается тем, что в трансформаторе по второму варианту выполнения, содержащем магнитопровод, первичную обмотку, вторичную обмотку и подключенные к первичной обмотке два корректирующих конденсатора, один из крайних выводов вторичной обмотки соединен с общим проводом, корректирующие конденсаторы подключены параллельно частям первичной обмотки таким образом, что первый вывод первого корректирующего конденсатора подключен к первому крайнему выводу первичной обмотки, соединенному с генератором переменного напряжения, между местом подключения первого вывода второго корректирующего конденсатора и первым крайним выводом первичной обмотки расположена часть первичной обмотки, а между местом подключения вторых выводов первого и второго корректирующих конденсаторов и вторым крайним выводом первичной обмотки расположена другая часть первичной обмотки.
В варианте трансформатора, в котором первичная обмотка включает пять секций, место соединения второго вывода первого корректирующего конденсатора с первичной обмоткой расположено между ее четвертой и пятой секциями, считая от ее первого крайнего вывода, а второй корректирующий конденсатор соединен своими выводами с первичной обмоткой между первой и второй секциями и между четвертой и пятой секциями соответственно.
к
Сущность изобретения поясняется на чертежах, где на фиг.1 показана типичная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) трансформатора, на фиг.2 изображена эквивалентная схема трансформатора по первому варианту с двухсекционной первичной обмоткой с учетом его паразитной емкости С и указано место подключения корректирующего конденсатора С. На фиг.3 показана электрическая схема трансформатора по первому варианту с четырехсекционной первичной обмоткой, на фиг.4 - электрическая схема трансформатора по второму варианту с пятисекционной первичной обмоткой, на фиг.5 показаны (а) АЧХ трансформатора на фиг.3 в отсутствие корректирующего конденсатора (кривые I) и при использовании корректирующего конденсатора (кривые II) и (б, в) форма испытательного прямоугольного импульса трансформатора на фиг.3 - (б) - в отсутствие корректирующих конденсаторов, (в) - при использовании корректирующих конденсаторов.
На чертежах обозначены: первичная обмотка 1, вторичная обмотка 2, магнитопровод 3, паразитная емкость 4, корректирующие конденсаторы 5, 6, источник 7 переменного напряжения, внутреннее сопротивление 8 источника 7, нагрузка 9, источник 10 постоянного напряжения.
Следует обратить внимание на невозможность по ряду причин осуществить точный расчет применяемого трансформатора и на отсутствие однозначной методики конструктивного выполнения трансформаторов, которые имели бы идеальную АЧХ. При этом целесообразно отметить, что имеются расчетные формулы и методики расчета электрических параметров трансформаторов, выполненные на основе упрощенных схем замещения. Все это позволяет рассчитать вполне работоспособные электротехнические изделия, однако их качество зависит от опыта разработчика.
Кроме того, АЧХ трансформаторов зависит и от схемы подключения трансформаторов, например от наличия соединения вторичной и(или) первичной обмоток с общим проводом, от возможности протекания постоянного тока по обмоткам, а также от внутреннего сопротивления генератора (или усилительного элемента) и вида нагрузки, которые функционируют совместно с конкретным трансформатором.
Для простоты рассмотрим эквивалентную схему трансформатора с простым секционированием, т.е. случай, когда в трансформаторе имеются две секции в первичной обмотке 1 и одна секция во вторичной обмотке 2 (схема «2п-1в»), конструктивно расположенная между секциями первичной обмотки (см. фиг.2). В этом случае схема первичной обмотки 1 симметрична для тока сигнала, если считать, что все конструктивные паразитные параметры секций одинаковы.
При соединении выводов первичной обмотки трансформатора с источником 7 переменного напряжения и с источником 10 постоянного напряжения соответственно, а одного из выводов вторичной обмотки с общим проводом устройства, в схеме появляется емкость С (емкость 4). Она подключена между секциями первичной обмотки 1 и, общему проводу устройства трансформатора, параллельно нижней секции и нарушает равенство паразитных параметров секций обмоток, другими словами, симметрию первичной обмотки 1 (см. фиг.3) (см. Р.Лэнди, Д.Дэвис и А.Албрехт. Справочник радиоинженера. М.: Государственное энергетическое издательство, 1961 г., с.392).
РT
РН
К
К
Типичная АЧХ трансформатора изображена на фиг.1 и в полной мере соответствует положениям теоремы Фостера (см. книгу A.M.Мищенко. Сборник задач по линейным электрическим цепям с кратким изложением теории, Учебное пособие, Издательство НГУ, Новосибирск, 2008 г., с 87). При этом на фиг.1 видно, что АЧХ имеет провал на частоте резонанса тока f и подъем на частоте резонанса напряжения f. В связи с этим предположение о наличии асимметрии и определило способ ее устранения путем подключения внешнего конденсатора 5 емкостью С параллельно верхней секции (фиг.3). Величина емкости С данного конденсатора 5 невелика, она того же порядка, что и внутренняя паразитная емкость С4 между первичной обмоткой 1 и общим проводом данного трансформатора. АЧХ скорректированных трансформаторов приведены на фиг 5, 6. Одновременно устраняется влияние возможной конструктивной несимметрии намотки секций трансформатора.
Также были проведены исследования для других трансформаторов, которые допускают протекание постоянного тока по первичной обмотке 1 и имеют различное конструктивное исполнение. Один трансформатор по первому варианту изобретения сделан по схеме «4п-3в» (четыре секции в первичной обмотке 1, три секции во вторичной обмотке 2 - см. фиг.4). Корректирующий конденсатор 5 подключен своими выводами соответственно к крайнему выводу первичной обмотки 1, соединенному с источником 7 переменного напряжения (генератор) и между ее второй и третьей секцией, считая от вывода, соединенного с источником 7 переменного напряжения.
В схеме «3п-2в» (три секции в первичной обмотке, две секции во вторичной обмотке - на чертежах не показаны) по первому варианту изобретения корректирующий конденсатор подключен своими выводами соответственно к крайнему выводу первичной обмотки, соединенному с генератором переменного напряжения и между ее первой и второй секцией или между второй и третьей секциями, считая от вывода, соединенного с источником 7 переменного напряжения.
В схеме «5п-4в» (пять секций в первичной обмотке 1, четыре секции во вторичной обмотке 2 - см. фиг.5) реализуется второй вариант предложенного изобретения. Первый корректирующий конденсатор 5 подключен своими выводами соответственно к крайнему выводу первичной обмотки 1, соединенному с источником 7 переменного напряжения, и между ее четвертой и пятой секциями, а второй корректирующий конденсатор 6 - между первой и второй секциями и между четвертой и пятой секциями, считая от вывода, соединенного с источником 7 переменного напряжения.
Для всех схем включения трансформаторов было получено подтверждение реализуемости предлагаемого подхода для компенсации и корректировки АЧХ. Дополнительно также было исследовано подключение конденсаторов 5 параллельно одной или нескольким секциям для снижения частоты частного резонанса и устранения остаточных искажений при преобразовании напряжения. Количество примененных в трансформаторах элементов минимально, однако обеспечивает высокое качество АЧХ. При этом точки подключения корректирующих конденсаторов 5 определялись опытным путем. Изменения, происходящие в этом случае в АЧХ соответствующих трансформаторов, показаны на соответствующих фигурах 5 и 6.
В обоих случаях, показанных на фиг.5 и 6, получена полоса пропускания трансформатора величиной 100 кГц по уровню -3 дБ, апериодический спад АЧХ и правильная форма прямоугольного испытательного сигнала (частотно-временная характеристика) с частотой 10 кГц. Проведенные эксперименты также продемонстрировали, что при увеличении внутреннего сопротивления генератора до 20 кОм происходит согласованное снижение полосы пропускания АЧХ до 30 кГц по уровню -3 дБ. При этом форма прямоугольника не имеет выбросов. Изменение нагрузки от 4 до 8 Ом на результат заметного влияния не оказывает.
К2
Также следует отметить, что во втором варианте изобретения емкость С конденсатора 6 (фиг.5) в коррекции трансформатора по схеме «5п-4в» сдвигает резонанс средних секций несколько ниже по оси частот, что улучшает форму прямоугольного сигнала и АЧХ для данного трансформатора. Возможно использование описанного подхода для улучшения АЧХ трансформаторов в двухтактных схемах, а также трансформаторов импульсных источников питания, допускающих протекание постоянного тока по первичной обмотке.
Предлагаемое изобретение не исчерпывается приведенными примерами выполнения. Возможна реализация данного изобретения в трансформаторах с различным числом секций. Также возможно подключение корректирующих конденсаторов не только в точках между секциями, но и внутри самих секций, когда точка подключения делит секцию на две части. Точки подключения подбираются опытным путем для обеспечения максимальной компенсации неровностей АЧХ и (или) переходной характеристики.
Использование предлагаемого изобретения позволяет повысить эффективность функционирования трансформатора за счет изменения его характеристик, например АЧХ.