Индуктивный делитель напряжения Советский патент 1987 года по МПК H01F21/12 

1I3

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электрорадиотехнических устройствах различного назначения, в частности в измерительной технике.

Целью изобретения является расши- рение полосы рабочих частот делителя, уменьшение выходного сопротивления и повышение точности коэффициен- та деления.

На фиг.1 и 2 изображен индуктивный делитель напряжения, общий вид; на фиг.З и А - варианты его выполнения; на фиг.6 - его электрическая схема.

Делитель содержит короткозамкну- тую цилиндрическую линию, образованную внешним проводником в виде цилиндра 1 и центральным проводником в виде цилиндрического стержня 2 с тонкостенным фланцем 3, поперечный индуктивный элемент 4, расположенный между цилиндром 1 и стержнем 2, и кольцевой сердечник (магнитный или диэлектрический) 5 с обмоткой, выводы 6 которой пропущены через отверстие в торцовой части цилиндра I.

Поперечный индуктивный элемент 4 делителя может быть выполнен (фиг.З) в виде тонкого сплошного кольца.

С целью повьштения коэффициента деления делителя центральный проводник коаксиальной линии делителя может быть выполнен (фиг.4) в виде ци- линдрической катушки 7 индуктивности с магнитным сердечником (или без него), закрепленной между стержнем 2 и цилиндром 1 с фланцем 3.

С этой же целью воздушный зазор между проводниками коаксиальной линии может быть заполнен (фиг.5) ферромагнитным материалом 8.

Вторая ступень делителя - индуктиная - начинается непосредственно от вторичного витка трансформатора (является продолжением его вьшодов ) и образуется из индуктивности Коаксиальной линии от фланца 3 до поперечного индуктивного элемента 4 и индук тивности, образованной этим элементом.

Магнитное поле трансформаторной ступени замкнуто внутри полости, где размещен сердечник трансформатора, и не взаимодействует с магнитным полем коаксиальной линии индуктивной ступени делителя, т.е. это поле не искажается. Индуктивный.элемент 4

52

расположен перпендикулярно оси коаксиальной линии и создаваемое им магнитное поле будет перпендикулярно полю коаксиальной линии, что исключает их взаимодействие.

Кроме того, благодаря закреплению стержня 2 в торцовой части корпуса I и использованию индуктивного элемента 4 одновременно и в качестве опорных элементов для другого конца стержня 2, отпадает необходимость применения каких-либо дополнительных опор из диэлектрического материала, что обеспечивает равномерность электрического поля в системе. Отсутствие источников искажения элект рического и магнитного полей повыша ет точность делителя.

Малое выходное сопротивление делителя легко достигается выбором поперечного сечения проводников 4 и их количеством. Увеличение поперечного сечения проводников 4 и их количества приводит к уменьшению общей индуктивности проводников и, следовательно, к снижению выходного сопротивления.

Источник сигнала, развивающий напряжение U (фиг,6) подключен к выводам 6 первичной обмотки W трансформатора (Тр).

На вторичной обмотке W трансформатора, выполненной в виде одного объемного витка, напряжение в соот ветствии с принципом работы трансформатора будет понижено в k раз, где k .

Поскольку W I, то k w.

Таким образом, первая - трансформаторная - ступень делителя делит входное напряжение U в k раз и на вторичной обмотке развивается напряжение, равное U/k.

Это напряжение подается на вторую - индуктивную - ступень делителя, образованную индуктивностями L и L 2 и имеющую коэффициент деления

(выходное

L , + L 2 напряжения п

с

напряжение снимается с индуктивности L).

Нагрузка Z ц подключается к торцовым поверхностям цилиндра 1 и стержня 2, т.е. в плоскости, в непосредственной близости от которой расположена индуктивность L. (поз.4 фиг.1).

3

Если принйть, что сопрот нагрузки Z|,подключенное к ности L ,много больше ее инного сопротивления, равного на выходе делителя (на инду Ь„) напряжение первой ступе U/k,

ное U/k, будет поделено еще и тоГда выходное напряжение ля и а 1,убудет равно:

и

их

и

ВПК

k-n

Общий коэффициент деления делителя, определяемый как отношение входного напряжения U к выходному U, будет равен:

eint

и

и,

kn.

2

ВЫХ

Принятое выше допущение о том, 20 что сопротивление нагрузки Z много больше выходного сопротивления WL для предлагаемой конструкции легко вьтолнимо для подавляющего большинства практических случаев, так как 25 выходное сопротивление вследствие очень малых значений индуктивности LJ (до 10 Гн) является чрезвычайно малым (до миллионных долей Ома и ниже) .30

Даже на самой верхней рекомендуемой для делителя частоте 300 МГц его выходное сопротивление не превысит 0,02 Ома.

Определим возможные характеристики предлагаемой конструкции тпанс- форматорно-индуктивного делителя для указанных вьш1е требований. Как пока- зьюают расчеты,вполне реально получение минимальной результирующей индуктивности радиальных проводников делителя, равной 1.10 Гн и меньшей. Например, при 300 радиальных проводниках сечением 5x0,1 мм и длиной не более 5 мм выходная индуктивность L 2 делителя не будет превышать 1.10 Гц. Тогда верхняя рабочая частота (при Z 0,010 м) будет равна 159 МГц. Коэффициент деле-- ния индуктивного делителя возьмем равньм 100. Тогда индуктивность L делителя будет равна 9,9..

40

Если не применять первой трансфор- Таким образом, делитель может без 35 маторной ступени, то нижняя рабочая

частота такого индуктивного делителя при заданном входном сопротивлении (10 Ом) будет равна также 159 МГц, т.е. делитель имел бы одну фиксированную рабочую частоту. При выбранном коэффициенте деления индуктивного делителя, равном 100, трансформатор должен иметь коэффициент деления 10 (так как общий коэффициент задан 1000). Если взять трансформатор с сердечником из марки ВЧ-50 (или БЧ-30 ) с размерами 5( 20х 010x8 мм, то при 10 витках первичной обмотки

заметного снижения точности работать на нагрузки с минимальным сопротивлением от стотысячных долей Ома до десятых долей Ома в широком диапазоне частот от низких звуковых до сверхвысоких.

Столь широкий рабочий диапазон частот получается благодаря тому, что параметры трансформатора (первой ступени) и параметры индуктивной части (второй ступени) могут в широких пределах варьироваться независимо друг от друга без нарушения работы схемы и снижения точности делителя. Это позволяет при конструирова- 50 НИИ делителя выбирать параметры первой стзгпени, ориентируясь главным образом на получение достаточно большого входного сопротивления (что45

ее идуктивность L составит около 1., а индуктивность рассеяния LS будет порядка 1.10- оГн. Резонансная частота этого трансформатора .при собственной емкости первичной обмотки около 4 пФ (экспериментальные бы меньше шунтировать источник сиг- 55 ,, j будет равна 300 МГц, т.е. шла), а параметры второй ступени - данного примера буДет много вы- на получение малого вьпсодного соп- верхней 1 абочей частоты трансфор- ротивления. При этом токи в на- маторного делителя, которая огранити-

з, fO

е15

20 о ст25но и30

еыгрузке могут теоретически достигать сотен тысяч ампер,

В реальных конструкциях эти токи ограничиваются мощностью источника сигнала. В экспериментальных делителях при использовании серийных генераторов сигналов переменного тока достигались токи в нагрузке до 1000 А.

Пример. Пусть требуется создать делитель напряжения с коэффициентом деления 1000, выходным сопротивлением Zjj, не более 0,01 Ом, входным сопротивлением менее 10 Ом при максимально возможной рабочей полосе частот.

Определим возможные характеристики предлагаемой конструкции тпанс- форматорно-индуктивного делителя для указанных вьш1е требований. Как пока- зьюают расчеты,вполне реально получение минимальной результирующей индуктивности радиальных проводников делителя, равной 1.10 Гн и меньшей. Например, при 300 радиальных проводниках сечением 5x0,1 мм и длиной не более 5 мм выходная индуктивность L 2 делителя не будет превышать 1.10 Гц. Тогда верхняя рабочая частота (при Z 0,010 м) будет равна 159 МГц. Коэффициент деле-- ния индуктивного делителя возьмем равньм 100. Тогда индуктивность L делителя будет равна 9,9..

ее идуктивность L составит около 1., а индуктивность рассеяния LS будет порядка 1.10- оГн. Резочивается индуктивностью рассеяния объемного витка и равна 15,9 МГц и вьше верхней рабочей частоты индуктивной ступени делителя (159 МГц). Нижняя рабочая частота трансформаторной ступени длеителя будет равна 1,59 МГц. При соединении трансформатора с индуктивным делителем индуктивность рассеяния Lg окажется соединенной последовательно :с входной индуктивностью L индуктивного делителя. Поскольку индуктивность рассеяния объемного витка трансформатора практически в 100 раз меньше индуктивности L индуктивного делителя (1. и 9,9.), это не приведет к существенной погрешности делителя в целом. Чтобы полностью исключить эту погрешность достаточно индуктивность L взять меньшей на значение L , тогда суммарная индуктивность второй ступени делителя будет равна расчетной.

Таким образом, при заданньиб выше требованиях трансформаторно-индуктив ный делитель будет иметь рабочую полосу частот от 1,59 МГц до 159 МГц.

Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет создавать делители переменного напряжения с существенно более широким коэффициентом перекрытия по рабочим частотам, чем известные конструкции. Применение гибридных делителей позволяет уменьшить номенклатуру ряда вьшускаемых устройств, имеющих сравнительно узкие диапазоны частот (например, измерителей добротности ). Трансформатор- но-индуктивные делители напряжения предлагаемой конструкции могут успешно применяться в полосе частот от единиц герц до 500-700 МГц с коэффициентами деления от примерно 10 до 10 и более. Наиболее рационально применение делителей в диапазоне частот 0,1-300 МГц с коэффициентом деления в пределах от 100 до 10. В оптимальной области применения можно обеспечить погрешность деления, не превышающую сотых и тысячных долей процента.

По сравнению с прототипом предла - гаемьй делитель выполнен из двух ступеней, имеющих различные электрические схемы - трансформаторную и индуктивную. Конструкция делителя не содержит каких-либо соединительных проводников между его ступенями.

кото.рые неизбежно снижали бы точность делителя, т.е. вьшоды объемного витка трансформатор непосредственно переходят в коаксиальную индуктивность второй ступени делителя. Кроме того, конструкция делителя не содержит каких-либо опорных диэлектрических деталей, которые бы неизбежно приводили к нарушению однородности

О электрического поля в элементах делителя и снижению его точности.Все элементы конструкции имеют классические геометрические формы, электрические параметры которых (емкость,

5 индуктивность, сопротивление) поддаются точному математическому расчету. Радиальная конструкция выходной индуктивности ступени делителя позволяет получить практически сколь

0 угодно малые значения индуктивности, а следовательно, и сколь угодно малые значения выходного сопротивления делителя, что недостижимо в известных конструкциях делителей.

Благодаря наличию этих признаков становится возможным создание широкополосных делителей напряжения, имеющих значительно большее перекрытие по частоте (на несколько поряд0 ков) при заданных минимальном входном и максимальном выходном сопротивлениях. Предлагаемая конструкция делителя позволяет получить сверхмалые выходные сопротивления (миллионные

5 доли Ома и менее).

Формула и бретения

1 . Инду стивный делитель напряжеО ния, содержащий короткозамкнутую линию с центральным проводником, о т- личающийся тем, что, с целью расширения полосы рабочих частот делителя, уменьшения выходного

5 сопротивления и повышения точности коэффициента деления, он снабжен трансформаторной ступенью, содержащей кольцевой сердечник с первичной обмоткой и поперечным индуктив0 ным элементом, короткозамкнутая линия выполнена цилиндрической, ее центральный проводник расположен коаксиально и выполнен с фланцем, поперечный индуктивный элемент располо5 жен в конце короткозамкнутой линии перпендикулярно ее оси и соединяет электрически и механически ее центральный и внешний проводники, обра7)35

зуя с частью короткозамкнутой линии выше фланца индуктивную ступень делителя, трансформаторная ступень включена перед индуктивной, ее сердечник размещен на цилиндрическом стержне под фланцем, а вторичная обмотка образована частью короткозамкнутой линии ниже фланца.

2.Делитель поп.1,отличающ и и с я тем, что поперечный индуктивный элемент выполнен в виде ради- ально расположенных проводников.

3.Делитель поп.1,отличаю- щ и и с я тем, что поперечный индуктивный элемент вьшолнен в виде тонко

8

го сплошного кольца с толщиной меньшей, чем глубина скин-слоя в нем.

4.Делитель поп.1, о тлич аю- щ и и с я тем, что, с целью увеличения коэффициента деления, часть центрального проводника коаксиальной линии вьтолнена в виде цилиндрической катушки индуктивности с сердечником.

5.Делитель поп,1,отличаю- щ и и с я тем, что, с целью увеличения коэффициента деления, воздушный зазор между проводниками коаксиальной линии заполнен ферромагнитным материалом.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в измерительной технике. Целью изобретения является расширение полосы рабочих частот делителя, уменьшение выходного сопротивления и повьшение точности коэффициента деления. Делитель содержит короткозамкнутую цилиндрическую линию, образованную : внешним проводником в виде цилиндра 1 и центральным проводником в виде цилиндрического стержня 2 с тонко-стенным фланцем 3, поперечный индуктивный элемент 4, расположенный между цилиндром 1 и стержнем 2, и кольцевой сердечник 5 с обмоткой, вьюо- ды 6 которой пропущены через отверстие в торцовой части цилиндра 1. Поперечный индуктивный элемент делителя может быть выполнен в виде тонкого сплошного кольца, 4 з.п. ф-лы, 5 ил. (Л 05 сд 05 о сд фиг. 2

fpue. /

фиг. 3

Фи&. Ч

Фиё.б

Составитель А,Носенков Редактор А.Лежнина Техред И.Попович

Заказ 5797/44 Тираж 697Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Ваушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул. Проектная, 4

фие.5

Корректор C.UIeKMap