ИНДУКТИВНОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к электронике и электротехнике и может быть использована в радиоэлектронных устройствах с обратной связью, в частности в радиоэлектронных устройствах с гальванической развязкой цепи передачи энергии и цепи передачи сигнала информации.
Далее в тексте применяются термины, касающиеся обмоток трансформатора, определенные в соответствии с ГОСТ 16110-82. «Трансформаторы силовые. Термины и определения». Ссылки на термин приводятся в виде: (номер пункта по ГОСТ).
Известны индуктивные устройства для передачи энергии и сигналов информации, применяемые, например, во вторичных источниках питания (ВИП) с гальванической развязкой. В этих индуктивных устройствах энергия передается трансформатором (далее в тексте - TP) с первичной на вторичную сторону ВИП. Сигнал информации о мгновенном значении тока определяется с помощью трансформатора тока (далее в тексте - ТТ), включенного первичной обмоткой последовательно с первичной обмоткой (4.5) TP, и со вторичной обмотки ТТ передается, например, в схему управления ВИП. Если ТТ включен последовательно со вторичной обмоткой TP (4.6), то сигнал информации с ТТ передается, например, на схему управления параллельным включением ВИП.
TP и ТТ располагаются и закрепляются любым известным способом на печатной плате изделия, в котором используется индуктивное устройство. Например, основные обмотки (4.3.) планарного TP интегрированы в печатную плату, а ТТ крепится на одной из сторон печатной платы, например, пайкой.
В общем случае, ТТ может быть подключен одним концом своей первичной обмотки к внешней цепи, а другим подключен или к первому, или к последнему витку основной (первичной или вторичной) обмотки ТР.
Для контроля тока в цепи TP может использоваться ТТ, первичной обмоткой которого служит часть электрической цепи в месте непосредственного соединения с первым или последним витком основной обмотки ТР.
Возможен вариант, когда первичная обмотка ТТ используется в качестве части внешней цепи в месте непосредственного соединения с первым или последним витком основной обмотки ТР.
В общем случае передача энергии может осуществляться трансформатором любого типа, например токовым трансформатором.
Далее, для простоты понимания сущности заявленной полезной модели, трансформатор, передающий энергию, будем рассматривать только как трансформатор, преобразующий напряжение.
Недостатком таких индуктивных устройств является то, что для разных значений номинального входного напряжения требуется использовать разные по мощности и, габаритам TP и ТТ, а также для каждого изделия, рассчитанного на определенное номинальное напряжение, рассчитывать и изготавливать печатные платы с разными посадочными местами для компонентов индуктивного устройства. При таком подходе к разработке продукции невозможно унифицировать процесс сборки серийно выпускаемых изделий, использующих такое индуктивное устройство. Это приводит к увеличению трудоемкости и длительности изготовления, так как требуется переналаживать оборудование для сборки изделия, рассчитанного на иное номинальное входное напряжение.
Известен конфигурируемый трансформатор с разомкнутыми обмотками (Патент US 6590488 «Configurable transformers», дата приоритета 12.01.1999), включающий первичную обмотку, состоящую из m обмоток, имеющих Ni витков, где i является целым числом, находящимся между 1 и определенным целым числом n; при этом m и Ni, являются целыми числами. Обмотки соединяются токопроводящими перемычками, расположенными на печатной плате. Использование такого трансформатора позволяет часть индуктивного устройства, передающую энергию, унифицировать для широкого диапазона номинальных значений входного напряжения.
Но для измерения различных мгновенных значений тока все равно необходимо использовать разные по мощности ТТ. Это приводит к увеличению трудоемкости изготовления изделий, рассчитанных на различные номинальные напряжения, в которых используются индуктивное устройство с различными габаритными размерами ТТ и печатные платы с разной топологией. Так, например, трансформатор тока фирмы TDK-Epcos, рассчитанный на 20А, имеет размеры 8×7×5 мм (https://en.tdk.eu/download/1322408/bd3e374220e189cdab8da280fa5f2032/current-sense-transformers-5-0-inside-view.pdf), а на 40А - уже 14×13×10 мм (https://en.tdk.eu/download/1322432/a478b1236c4b84e8bffda527fbce5044/current-sense-transformers-12-6-inside-view.pdf).
Известен датчик тока (патент РФ №2026558, МПК 6, G01R 19/00, приоритет от 22.11.1990), в котором первичная обмотка ТТ подключена параллельно участку проводника с измеряемым током. В этом случае величина тока, протекающего через первичную обмотку ТТ, зависит от величины сопротивления первичной обмотки ТТ и сопротивления участка проводника с измеряемым током. Таким образом решена проблема использования маломощного ТТ для измерения больших токов.
Недостатком этого решения является малое сопротивление первичной обмотки ТТ и участка проводника с измеряемым током, что вызывает необходимость в усилителе сигнала для измерения малых (до 0,1 А) токов. Такие усилители чувствительны к изменению внешних, например, температурных воздействий и требуют места для размещения в конструкции ВИП, что увеличивает его габариты.
Задачей технического решения является создание индуктивного устройства, которое может работать при разных номинальных значениях мгновенного тока без изменения конструктивных характеристик трансформатора и трансформатора тока и топологии печатной платы, только за счет изменения схемы их соединения.
Технический результат достигается в индуктивном устройстве, содержащем: соединенные с печатной платой трансформатор тока, включающий первичную обмотку и вторичную обмотку; трансформатор, включающий основные обмотки, при этом по крайней мере одна из основных обмоток включает не менее двух обмоток с входными и выходными витками, выполненными с возможностью их соединения токопроводящими элементами, причем первичная обмотка трансформатора тока включена между витками этих обмоток.
В предпочтительном варианте первичная обмотка трансформатора тока включена между выходным витком первой обмотки и входным витком второй обмотки основной обмотки трансформатора.
В предпочтительном варианте первичная обмотка трансформатора тока включена между входным витком первой обмотки и входным витком второй обмотки основной обмотки трансформатора, а выходные витки этих обмоток соединены токопроводящим элементом.
В предпочтительном варианте первичная обмотка трансформатора тока включена между выходным витком первой обмотки и выходным витком второй обмотки основной обмотки трансформатора, а входные витки этих обмоток соединены токопроводящим элементом.
В другом варианте первичная обмотка трансформатора тока, жестко закрепленного на печатной плате, выполнена с возможностью соединения токопроводящими элементами с входными витками первой и второй обмоток основной обмотки трансформатора, выходные витки которых соединены токопроводящим элементом.
В другом варианте первичная обмотка трансформатора тока, жестко закрепленного на печатной плате, выполнена с возможностью соединения токопроводящими элементами с выходными витками первой и второй обмоток основной обмотки трансформатора, входные витки которых соединены токопроводящим элементом.
Возможен вариант, в котором по крайней мере одна основная обмотка трансформатора выполнена из более, чем двух обмоток, выходные витки этих обмоток соединены токопроводящим соединением, а первичная обмотка ТТ при этом входным витком подключена к одной части входных витков обмоток трансформатора, а выходным витком подключена к другой части входных витков обмоток трансформатора таким образом, что мгновенное значение тока, протекающего через первичную обмотку трансформатора тока меньше или равна значению номинального первичного тока трансформатора тока.
Для простоты показа сущности заявленной полезной модели вторичные обмотки на изображениях не приводятся.
На фиг. 1 приведены варианты последовательного включения трансформатора тока с последовательно соединенными двумя обмотками основной первичной обмотки. Обмотки подключены к контактным площадкам (темные квадраты). Между собой контактные площадки соединены перемычками (жирные линии).
На фиг. 1а показан предпочтительный вариант конструкции индуктивного устройства. В этом варианте первичная обмотка токового трансформатора используется вместо токопроводящего элемента.
На фиг. 1b показан вариант конструкции индуктивного устройства, в котором токовый трансформатор жестко закреплен на печатной плате. Его соединение с последовательно соединенными обмотками трансформатора осуществляется токопроводящими элементами
На фиг. 2 приведены варианты последовательного включения трансформатора тока с одной из параллельных обмоток первичной основной обмотки. Обмотки подключены к контактным площадкам (темные квадраты). Между собой контактные площадки соединены перемычками (жирные линии).
На фиг. 2а приведен предпочтительный вариант индуктивного устройства, в котором первичная обмотка трансформатора тока используется вместо токопроводящего соединения.
На фиг. 2b показан вариант конструкции индуктивного устройства, в котором токовый трансформатор жестко закреплен на печатной плате. Его соединение с параллельно соединенными обмотками трансформатора осуществляется токопроводящими элементами
На фиг. 3 показан предпочтительный вариант конструкции индуктивного устройства для трех параллельно включенных обмоток основной первичной обмотки.
В соответствии с описанными выше вариантами исполнения (фиг. 1 и 2) трансформатор (Т1) содержит основную первичную обмотку, состоящую из двух обмоток с выводами 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, а трансформатор тока (Т2) содержит первичную обмотку.
Для трансформатора тока с номинальным значением первичного проходного тока, большим или равным входному току индуктивного устройства, используется либо одна первичная обмотка (не показана), либо конструкция индуктивного устройства, приведенная на фиг. 1а и b, где первичная обмотка трансформатора тока включена последовательно с обмотками трансформатора.
Для вариантов предпочтительного варианта индуктивного устройства, показанного на фиг. 2а и 2b, первичная обмотка трансформатора тока Т2 с номинальным значением первичного проходного тока ниже входного тока, включена последовательно с одной обмоткой и параллельно с другой обмоткой трансформатора.
Выводы обмоток при последовательном и параллельном соединении обмоток соединяются токопроводящими элементами (перемычками).
При автоматической сборке предпочтительного варианта изделия требуется изменить только программу размещения перемычек и/или длину перемычек.
ном
ном
im
mi
im
im
Сущность предпочтительного варианта заявленного технического решения заключается в следующем. Разработана серия индуктивных устройств, рассчитанных на номинальное входное напряжение, значения которого лежат в пределах от Umin до 9*Umin, работающих при мгновенных значениях тока, лежащих в пределах от Imin до 2*Imin. В них используются трансформаторы с первичной обмоткой, состоящей из двух обмоток, и одинаковые трансформаторы тока с номинальным значением первичного проходного тока, лежащим в пределах от Imin до 2*Imin. Топология печатной платы рассчитана только на эти индуктивные элементы.
Для передачи энергии индуктивное устройство настраивается на входное значение напряжения путем соединения обмоток трансформатора последовательно для высоких напряжений или параллельно для низких напряжений указанного диапазона. Настройка осуществляется токопроводящими элементами, выполненными обычно в виде металлических перемычек. Для передачи информации о мгновенных значениях тока, текущего через трансформатор, эти его обмотки соединяются перемычками с первичной обмоткой трансформатора тока.
При последовательном соединении обмоток первичной обмотки трансформатора через трансформатор тока идет весь протекающий в цепи устройства входной ток.
При параллельном соединении обмоток первичной обмотки трансформатора через трансформатор тока идет примерно половина протекающего в цепи устройства входного тока.
В ином варианте трансформатор тока может быть использован вместо одной из перемычек, соединяющих обмотки трансформатора. В этом случае при разработке печатной платы потребуется сформировать контактные площадки выводов обмоток трансформатора напряжения с возможностью устанавливать на них как перемычки, так и первичную обмотку ТТ для коммутации обмоток ТР. При сборке этого варианта потребуется заменить только одну кассету с перемычками на трансформаторы тока.
Все рассуждения и выводы, относящиеся к данному варианту конструкции индуктивного устройства, относятся и ко всем аналогичным вариантам: при использовании более двух обмоток; при использовании обмоток на вторичной стороне трансформатора; при использовании одной обмотки, выполненной из параллельно соединенных проводников, как расположенных параллельно друг другу, так и скрученных в жгут.
Конструктивно трансформаторы напряжения и тока могут быть: моточными или планарными изделиями, расположенными на поверхности печатной платы или интегрированными в нее.
Для накладной, погруженной или гибридной конструкции планарного трансформатора трансформатор тока может быть расположен как на одной из сторон многослойной печатной платы с обмотками трансформатора, так и на основной плате изделия, в котором используется индуктивное устройство.