Широкополосный трансформатор Советский патент 1991 года по МПК H01F19/06 

10

20

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к устройствам широкополосной трансформации высокочастотных сигналов на основе трансформаторов с магнитопро- водом, к которым предъявляются повышенные требования к точности выполнения требуемого коэффициента трансформации и его реализации в широкой полосе рабочих частот, и может быть использовано в антенной, радиоприемной, радиопередающей и измерительной технике.

Целью изобретения является расширение полосы рабочих частот путем ограничения числа витков первичной и вторичной обмоток, достигаемого за счет получения дробных значений числа витков в обмотках, 15 определяемых в соответствии с выражением (/m для первичной обмотки и Ш2± ±k2/m для вторичной обмотки.

На фиг. 1 и 2 приведена конструкция предложенного широкополосного трансформатора.

Устройство содержит сердечник 1 из магнитного материала в виде пакета из m пар совмещенных боковыми поверхностями тороидальных сердечников, собранных через прокладки 2, имеющие отверстия, совмещенные с внутренними отверстиями пакета, и канавки 3 по обеим сторонам прокладок по линии, проходящей через центры их отверстий. Через внутренние отверстия пакета намотано w витков первичной основной обмотки 4 и W2 витков вторичной ос-, новной обмотки 5. На каждой паре тороидальных сердечников через их внутренние отверстия намотано k витков первичной дополнительной обмотки 6 и kz витков вторичной дополнительной обмотки 7. При этом первичная основная обмотка 4 соединена согласно или встречно с соединенными параллельно m первичными дополнительными обмотками 6, а вторичная основная обмотка 5 соединена согласно или встречно с соединенными параллельно т вторичными дополнительными обмотками 7.

Широкополосный трансформатор работает следующим образом.

При подключении к первичной обмотке трансформатора с коэффициентом трансформации п генератора ЭДС с внутренним

Ф .Ц0/|да1- -у-,

Л

tup

(1)

где Sc - сечение магнитопровода сердечника 1, охватываемого основной обмоткой 4; 1ср - средняя длина магнитной линии в

тороидальном сердечнике; ц. - относительная магнитная проницаемость сердечника;

цо - абсолютная магнитная проницаемость.

Ток Ii/m, протекая через k витков в каждой из дополнительных первичных обмоток 6, создает в охватываемой ею паре тороидальных сердечников магнитный поток

7У

Ф Доп ,

(2)

где Sn - сечение магнитопровода пары тороидальных сердечников. Учитывая, что сечение сердечника 1 определяется набором т пар тороидальных сердечников, т. е. , перепишем (2) в виде

25

Л

Ф laon(

-&i

(3)

30

35

Общий магнитный поток 2 Ф i сердечника 1, создаваемый током 1 в первичной обмотке, равен

2 Ф 1 Ф |ОСН±/ПФ 1ДОП(4)

где знак «+ соответствует согласному включению основной и параллельно соединенных дополнительных первичных обмоток, а знак «- - встречному их включению. Учитывая (1), (3) и (4), имеем

Sc

2Ф що1

.

(5)

Аналогично ток /2, протекая через п витков вторичной основной обмотки 5, создает в охватываемом ею сечении Sc маг- 40 нитопровода сердечника 1 магнитный поток

о

Ф2« ЦЦо/2Ш27-.

/ср

(6)

Протекая через каждую вторичную допол нительную обмотку 7 с числом витков kz,

11-ii- j i-/1C

сопротивлением Rr, а к вторичной обмотке - 4й ток /2/т создает в охватываемом им сечесопротивления нагрузки на входе первичной обмотки появится ток 1, а на выходе вторичной обмотки - ток /2. С учетом последовательного соединения основной 4 и m параллельно соединенных дополнительных первичных обмоток 6 через основную первич ную обмотку 4 будет протекать ток /lt а через каждую дополнительную первичную обмотку 6 - ток 1}/т. Аналогично через вторичную основную обмотку 5 будет протекать ток /2, а через каждую дополнительную ВТОрИЧНуЮ ОбМОТКу 7 - ТОК /2//71.

Ток /, протекая через w витков первичной основной обмотки 4, создает в сердечнике 1 магнитный поток

нии пары тороидальных сердечников магнитный поток

Ф

2до

50

« (7)

Общий магнитный поток 2 Фг, создаваемый в сердечнике 1 током 1ч во вторичной обмотке трансформатора, равен алгебраической сумме потоков, создаваемых основной вторичной и т дополнительными обмотка55 ми

2 Ф2 Ф20Сн±т Ф2ДОП,(8)

где знак «-)- соответствует согласному включению основной 5 и параллельно соединенных дополнительных вторичных обмоФ .Ц0/|да1- -у-,

Л

tup

(1)

где Sc - сечение магнитопровода сердечника 1, охватываемого основной обмоткой 4; 1ср - средняя длина магнитной линии в

тороидальном сердечнике; ц. - относительная магнитная проницаемость сердечника;

цо - абсолютная магнитная проницаемость.

Ток Ii/m, протекая через k витков в каждой из дополнительных первичных обмоток 6, создает в охватываемой ею паре тороидальных сердечников магнитный поток

7У

Ф Доп ,

(2)

где Sn - сечение магнитопровода пары тороидальных сердечников. Учитывая, что сечение сердечника 1 определяется набором т пар тороидальных сердечников, т. е. , перепишем (2) в виде

5

Л

Ф laon(

-&i

(3)

0

5

Общий магнитный поток 2 Ф i сердечника 1, создаваемый током 1 в первичной обмотке, равен

2 Ф 1 Ф |ОСН±/ПФ 1ДОП(4)

где знак «+ соответствует согласному включению основной и параллельно соединенных дополнительных первичных обмоток, а знак «- - встречному их включению. Учитывая (1), (3) и (4), имеем

Sc

2Ф що1

.

(5)

Аналогично ток /2, протекая через п витков вторичной основной обмотки 5, создает в охватываемом ею сечении Sc маг- 40 нитопровода сердечника 1 магнитный поток

о

Ф2« ЦЦо/2Ш27-.

/ср

(6)

Протекая через каждую вторичную дополнительную обмотку 7 с числом витков kz,

ток /2/т создает в охватываемом им сечеток /2/т создает в охватываемом им сечении пары тороидальных сердечников магнитный поток

Ф

2до

« (7)

Общий магнитный поток 2 Фг, создаваемый в сердечнике 1 током 1ч во вторичной обмотке трансформатора, равен алгебраической сумме потоков, создаваемых основной вторичной и т дополнительными обмотками

2 Ф2 Ф20Сн±т Ф2ДОП,(8)

где знак «-)- соответствует согласному включению основной 5 и параллельно соединенных дополнительных вторичных обмоток, а знак «- - их встречному, включению.

Подставляя в (8) соотношения (6) и (7), получим:

Ј

tcfi m2 Ф2 0/24т(« ±-ЙГ-)(9)

Основным условием работы трансформаторов является баланс магнитных потоков первичной и вторичной обмоток

.(10)

С учетом (5) и (9) соотношению (10) соответствует равенство

ЦЦО/-(,±|)0/(2±).

Упрощая (11), получим

(Н)

Л(ОМ±т1Ь /2().

(12)

Коэффициент трансформации трансформатора п определяется отношением входных токов первичной и вторичной обмоток

.У,

rt

Уц

(13)

и с учетом (12) равен

(14)

Числитель в выражении для коэффициента трансформации (14) определяет эквивалентное число витков вторичной обмотки, а знаменатель - эквивалентное число витков первичной обмотки. При этом целая часть числа витков первичной и вторичной обмоток для случая согласного включения параллельно соединенных дополнительных обмоток соответственно равна w и ш2, а для случая встречного включения параллельно соединенных дополнительных обмоток равна и wi-1 (при условии, что

и ). Значения и - определяют

дробную часть витка соответственно первичной и вторичной обмоток.

С точки зрения технологичности выполнения обмоток трансформатора достаточно, чтобы дробная часть витка была меньше единицы, т. е.

(15)

При этом

i..(16)

Из формулы для коэффициента трансформации (14) следует, что введение в трансформатор m дополнительных первичных и вторичных обмоток приводит к увеличению в -у раз по сравнению с прототипом числа реализуемых значений коэффициента трансформации для каждой пары w и wz- He сложно показать, что

Y(2m-1 )2-(2m-1)+1 2m(2m-3)+3. (17) Таким образом, коэффициент трансформации предлагаемого широкополосного трансформатора определяется отношением эквивалентного количества витков вторичной обмотки

ь

10

ШЭ1

(18)

к эквивалентному количеству витков первичной обмотки

Kf

w31 а,±-.

(19)

К целочисленному значению числа витков Ш| и ОУ2 основных первичной и вторичной

/I

обмоток добавляется дробная часть или -

изменяемая с дискретом -. При этом эквивалентное число витков первичной и вторичной обмоток изменяется в пределах

да 1,2- ха 1..2+1.(20)

Эквивалентное значение числа витков, сое диненных параллельно т дополнительных первичных либо вторичных обмоток, равное -, не должно превышать 1, поскольку

0

технологически проще изменить 1.2 на единицу путем изменения на единицу w,z, чем увеличить количество витков дополнительных обмоток k,2 более чем на (т- 1). Таким образом, количество витков дополнительных обмоток fei.2 выбирается в пределах от 0 до (т-1). Например, при

5 &, 2 выбирается равным 0 либо 1, при &i.2 выбирается равным О, 1, 2 и т. д.

Поскольку m параллельно соединенных первичных либо вторичных дополнительных обмоток изменяют эквивалентное число вит0 ков первичной либо вторичной обмоток менее чем на единицу, и оно остается достаточно близким к числу витков основных первичной и вторичной обмоток, то и эквивалентная длина этих обмоток с введением дополнительных обмоток изменяется мало

5 Поэтому введение т параллельно соединенных дополнительных обмоток не приводит к заметным изменениям индуктивности рассеяния и межвитковых емкостных связей, определяющих широкополосность трансформатора.

0 В то же время введение m дополнительных первичных и вторичных обмоток с целым числом витков &i,2, принимающим значения от 0 до (т-1), согласно (14) позволяет вместо одного значения коэффициента трансформации получить их в

V раз больше. Например, выполнение сердечника трансформатора в виде пакета из

двух пар тороидальных сердечников () увеличивает количество возможных значений коэффициента трансформации в 7 раз. В этом случае количество витков дополСледовательно, реализуемые предложенным устройством коэффициенты трансформации могут быть получены в прототипе только при увеличении числа витков его

нительных первичной и вторичной обмоток 5 первичной и вторичной обмоток приблизиЈi,2 можно взять равным 0 либо 1 и получить при согласном либо встречном включении в соответствии с (14) следующие семь коэффициентов трансформации:

тельно в т раз. Это приводит к увеличению индуктивности рассеяния и межвит- ковой емкости обмоток, что существенно снижает широкополосность прототипа. Таким образом, требуемое количество витков выходит за рамки их ограниченного количества, определяемого широкополосностью трансформатора.

w

Ш|(L5. ш2-OJL wg. %)2+0,5. -0,5 ъ)1

w-i-0,5. оэг.

1+0,5 ,5

Следовательно, реализуемые предложенным устройством коэффициенты трансформации могут быть получены в прототипе только при увеличении числа витков его

первичной и вторичной обмоток приблизи0

тельно в т раз. Это приводит к увеличению индуктивности рассеяния и межвит- ковой емкости обмоток, что существенно снижает широкополосность прототипа. Таким образом, требуемое количество витков выходит за рамки их ограниченного количества, определяемого широкополосностью трансформатора.

Для экспериментальной проверки приведенных выше выводов были изготовлены два

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к устройствам широкополосной трансформации высокочастотных сигналов, и может быть использовано в антенной, радиоприемной, радиопередающей и измерительной технике. Цель - расширение полосы рабочих частот при ограничении числа витков первичной и вторичной обмоток, достигаемого за счет получения дробных значений числа витков в обмотках. Трансформатор содержит сердечник 1 из магнитного материала в виде пакета из пар совмещенных боковыми поверхностями тороидальных сердечников, собранных через прокладки 2, первичную 4 и вторичную 5 основные обмотки, намотанные через внутренние отверстия пакета, k первичных 6 и &2 вторичных 7 дополнительных обмоток, причем на каждой паре тороидальных сердечников через их внутренние отверстия намотана одна первичная и одна вторичная дополнительные обмотки, торцовые части которых проходят по канавкам прокладок. Первичная основная обмотка соединена согласно или встречно с соединенными параллельно w первичными дополнительными обмотками, а вторичная основная обмотка соединена согласно или встречно с соединенными параллельно w2 вторичными дополнительными обмотками. Ограничение числа витков первичной и вторичной обмоток, достигаемое за счет получения дробных коэффициентов трансформации, позволяет существенно расширить полосу рабочих частот. 2 ил. S 7 4 I (Л О5 СП Јь 00 00 0

При наборе пакета сердечника из 3-х пар 15 трансформатора с коэффициентами транстороидальных сердечников () дискрет формгции ,364. Оба трансформатора

имели одинаковые сердечники из феррита .марки М1000 в виде пакета из 2 пар совмещенных боковыми поверхностями тороидальных сердечников с размерами 7Х4Х

а реализуемое число значений коэффициен- 20 Х4 мм3, собранных через прокладки. Чтобы обеспечить заданный коэффициент трансизменения дробной части числа витков перjвичной и вторичной обмоток равен ,333,

та трансформации равно 21.

При имеем ,25 и .

формации, трансформатор, изготовленный в соответствии с описанием прототипа, содержал первичную w и вторичную w2 основные обмОТКИ С ЧИСЛОМ ВИТКОВ ffi t 15

Таким образом, увеличение числа т дополнительных первичных и вторичных обмоток мало изменяет эквивалентное число витков первичной и вторичной обмоток, но резко увеличивает число реализуемых коэффициентов трансформации.

При этом получение таких же коэффициентов трансформации в прототипе, где коэффициент трансформации определяется целочисленным значением числа витков обоих обмоток, потребовало бы значительного увеличения числа витков его первичной и вторичной обмоток. Действительно, числитель и знаменатель формулы (14) приобретают целочисленные значения при умно(- жении их на минимальный множитель, равный т

k%,&2Ч, .

tn(W2±-) тЖ2±«2

кУ1±-г rn() mwi + k

Из этого выражения видно, что числитель и знаменатель возрастают в а раз, где

mwi,2±k,2

V

Поскольку fei,2 выбирают в пределах от О до т-1, то увеличение числа витков в трансформаторах с целочисленными обмотками для получения тех же значений коэффициентов трансформации лежит в пределах

mw 2±(rn-:11, .

т± V

а,-

до

4,1

При числе витков w, увеличение числа витков целочисленных обмоток близко к величине т.

5

формации, трансформатор, изготовленный в соответствии с описанием прототипа, содержал первичную w и вторичную w2 основные обмОТКИ С ЧИСЛОМ ВИТКОВ ffi t 15

и . Обеспечивая тот же коэффициент трансформации, трансформатор, изготовленный в соответствии с формулой изобретения, содержал первичную w и вторичную W2 основные обмотки с числом витков о и tЈ), а также 2 первичные и 2 вторичные дополнительные обмотки соответственно С ЧИСЛОМ ВИТКОВ k И

в каждой. Эквивалентное число витков первичной обмотки при этом составляло 7,5, а вторичной - 5,5. При этом на уровне КСВ 1,05 полоса частот трансформатора, изготовленного в соответствии с прототипом, составляла 0,75-44 МГц, а полоса частот трансформатора, изготовленного в соответствии с изобретением - 3-78 МГц.

0 Таким образом, предлагаемый широкополосный трансформатор вследствие ограниченного числа витков первичной и вторичной обмоток имеет более широкую полосу рабочих частот при широком наборе реализуемых коэффициентов трансформации, что позволяет решить задачу создания широкого класса сумматоров и разветвителей, с высокой точностью реализующих заданные коэффициенты деления мощности при сохранении их широкополосности.

5

5

50

Формула изобретения

Широкополосный трансформатор, содержащий сердечник из магнитного материала в виде пакета из пар совмещенных боко- выми поверхностями тороидальных сердечников, собранных через прокладки, имеющие отверстия, совмещенные с внутренними отверстиями пакета, первичную и вторичную

обмотки, намотанные через внутренние отверстия пакета, отличающийся тем, что, с целью расширения полосы рабочих частот, в него введены первичные и вторичные дополнительные обмотки, по обеим сторонам прокладок по линии, проходящей через центры их отверстий, выполнены канавки, на каждой паре тороидальных сердечников через их внут ренние отверстия намотана одна первичная и одна вторичная дополнительные обмотки, торцовые части которых проходят по канавкам прокладок, через которые концы дополнительных обмоток выведены наружу пакета, первичная основная обмотка соединена согласно или встречно с соединенными параллельно первичными дополнительными обмотками, а вторичная основная обмотка соединена согласно или встречно с .соединенными параллельно вторичными дополнительными обмотками.

Фиг. г