Факторы, от которых зависит Со, рассмотрены в § 7.3. Как было показано, один из способов уменьшения Со - секционирование.

При работе секционированного дросселя в широком диапазоне частот между емкостями и индуктивностями секций на отдельных частотах могут возникнуть последовательные резонансы. При этом сопротивление дросселя току высокой частоты может резко уменьшиться, что приведет к ухудшению заградительных свойств. Поэтому параметры секций (индуктивность и собственную емкость) делают различными. Указанные резонансные явления не могут возникнуть ю всех секциях фазу (из-за неравенства их L и Со), поэтому нерезонирую щие секции выполняют свои функции.

На рис. 7.15 показан дроссель, намотанный на резистор типа ВС. Небольшой диаметр каркаса и обмотка с шагом проводом малого сечения позволяют получить небольшое значение Сдр. Таким способом можно получить дроссели с Lp до нескольких микрогенри.

В случае необходимости уменьшения Сдр можно применять бескаркасную обмотку. Если нужно получить Ьдр порядка десятков микрогенри и более, то целесообразно перейти на обмотку универсальную или внавал , секционируя ее для уменьшения Сдр, как показано на рис. 7.7 и 7.15, а также использовать однослойные и многослойные катушки с сердечниками из феррита.

На рис. 7.15,6 показан дроссель, выполненный на цилиндрическом сердечнике из феррита с большой магнитной проницаемостью. Несмотря на небольшой размер (D = 3,5 мм, /= 12 мм), индуктивность такого дросселя может достигать 125 мкГн.

Рис. 7.15. Дроссели высокой частоты:

а - на каркасе от резистора типа ВС; б - секционированный с различными значениями L и С секций; в - на феррито-вом стержне

§ 7.HI. В.ЛРИОМЕТРЫ

Вариометром называют катушку, индуктивность которой может быть изменена оператором в процессе эксплуатации. Вариометры используют для перестройки контуров в пределах широкого диапазона частот, а также в целях подстройки.

В большинстве современных вариометров индуктивность изменяется за счет. изменения взаимоиндукции или введением в катушку сердечника из магнитного материала.

На рис. 7.16 показан принцип устройства вариометра с переменной -взаимоиндукцией: одна из катушек (статор) неподвижнаТа другая (ротор) может вращаться вокруг оси. Катушки соединены последовательно. Если направления магнитных полей двух катушек совпадают, то их общая индуктивность г . г . п .г (7 24)

Ь„ах = Ьр +L, +2М,

где Lp и Le - индуктивности ротора и статора; М между катушками.

взаимоиндукция

. При повороте ротора на 180° поля Статор двух катушек будут направлены навстречу, тогда

bmin = bp -I- Le - 2М . (7.25)

Коэффициент перекрытия вариометра по индуктивности

тах

Lp+L +2М Lp+L -2М

Рис. 7.16. Вариометр с витками (7.26) ротора статора, расположенными по образующей

Учитывая, что М =kyjLpL ,и полагая LL, после подстановки их в (7.26) получим

= (1 + fe)/(l - к) . (Т27)

Таким образом, коэффициент перекрытия вариометра определяется исключительно значением коэффициента связи к. Для случая параллельного соединения катушек коэффициент перекрытия Ki, также определяется выражением (7.27). Для конструкции, показанной на рис. 7.16,

=610.

Значительное увеличение Kj получается при использовании магнитных сердечников.

§ 7.11. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ

Для создания частотно-избирательных систем взамен устройств, построенных на одиночных или связанных контурах, применяют электромеханические фильтры (ЭМФ), принцип действия которых основан на использовании механического резонанса твердого тела.

Механические резонаторы имеют очень высокую добротность, доходящую до нескольких тысяч, и небольшие габариты. Для сравнения на рис. 7.17 приведены частотные характеристики электрических колебательных контуров и электромеханических фильтров. Чтобы использовать механический резонанс для селекции электрических колебаний, необходимо сначала преобразовать электрические колебания в механические, возбудить ими механический резонатор, а затем отфильтрованные механические колебания преобразовать в электрические. Структурная схема ЭМФ представлена на рис. 7.18, а.

Входные и выходные преобразователи ЭМФ можно разделить на электромагнитные, магнитострикционные и пьезоэлектрические. В магнитострикционных преобразователях используют свойства некоторых материалов изменять свои размеры под действием намагничивания (магнитострикция) и обратное свойство - изменение намагниченности при деформации (магнитоупругий эффект).

-6 -2 О 2 Ч 11?,кГц

Рис. 7.17. Частотные характеристики: / - электрический контур; 2 - электромеханический фильтр

Рис. 7.18. Структурная схема ЭМФ: а - ЭМФ; б - магнитсстрикциснный преобразователь; 1 -сердечник; 2 - магнит; 3 - индуктивная катушка

Схема магнитострикционного преобразователя показана на рис. 7.18, б. EcJM чере$ индуктивную катухику пропустить ток, то переменное по знаку поле кагушки, взаимодействуя с полем постояниого магнита, создаст пульсирующее поле той же частоты, что и ток, проходящий через катушку. Под действием этого поля сердечник из магнитострикционного материала меняет свои размеры синхронно с изменением поля.

Изменение размеров сердечника может быть использовано для возбуждения колебаний в механическом резонаторе.

Если другой аердечник соединить с механическим резонатором, совершающим колебания, .то под действием деформации меняются магнитная проницаемость сердечника и поле, пронизывающее его катушку, в результате чего в ней индуктируется э.д.с. требуемой частоты.

Хорошо выраженными магнитострикционными и магнитоупругими свойствами обладают многие ферромагнетики, в том числе и ферриты. В пьезоэлектрических преобразователях используется свойство материалов изменять свои размеры под действием приложенного к их граням напряжения, а также обратное свойство - возбуждать на гранях э.д.с. под действием деформации. На частотах до 1 МГц обычно применяют магнитострикцион-ные преобразователи.

Большинство применяемых фильтров имеют цепочечные механические резонаторы, состоящие из отдельных резонаторов, соединенных между собой связками (рис. 7.19). Резонаторы могут иметь форму пластин, дисков, стержней и т. д. В них возбуждаются колебания разных видов, например продольные или крутильные. Конфигурация элементов колебательной системы, размеры, материал, а также вид возбуждаемых колебаний определяют параметры электромеханического фильтра, в том числе среднюю частоту настройки и полосу пропускания. Эти параметры определяются конструкцией фильтра и при его эксплуатации уже не могут быть изменены.

1 г

Рис. 7.19. Цепочечные резонаторы: . а - стержневой; б - пластинчатый; в - дисковый; ; - резонатор; 2 - связка

в настоящее время электромеханические фильтры изготавливают на диапазон частот от десятков до сотен килогерц. При этом полоса пропускания может составлять от 0,05 до 5% от резонансной частоты фильтра.

Температурный коэффициент частоты выпускаемых промьшллен-ностью ЭМФ составляет около 20 10 град~\

По стоимости ЭМФ еще не могут конкурировать с контурами, так как технология их изготовления значительно сложнее. Однако по мере усовершенствования технологических процессов и освоения массового производства ЭМФ разница в стоимости будет сокращаться.

Электромеханические фильтры благодаря малым габаритам в наибольшей мере удовлетворяют требованиям, которые предъявляются к современной аппаратуре. Например, электромеханический фильтр со средней частотой 465 кГц при габаритах 0 14 х 80 (с выводами) позволяет получить полосу пропускания от нескольких килогерц до сотен герц. При этом коэффициент прямоугольности, измеренный на уровнях 6 и 60 дБ (отношение полос пропускания при ослаблении 60 и 6 дБ соответственно), не превышает 2.

Глава 8

ТРАНСФОРМАТОРЫ И ДРОССЕЛИ

§ 8.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Применяемые в радиотехнических условиях трансформаторы разделяют на силовые, низкочастотные и импульсные.

Силовые трансформаторы служат для получения напряжений, питающих выпрямители, цепи накала ламп, моторы, сельсины и другие нагрузки.

В усилителях низкой частоты трансформаторы применяют в качестве согласующего элемента между источником сигнала и входом усилителя, между двумя усилителями или между усилителем и нагрузкой. По месту расположения в схеме такие трансформаторы подразделяют на входные, междукаскадные и выходные.

Особую группу составляют импульсные трансформаторы, которые используются для трансформации или формирования импульсов малой длительности.

Дроссели низкой частоты наиболее часто применяют в фильтрах выпрямителей, где вместе с другими элементами они уменьшают пульсации, получающиеся после выпрямления переменного тока.

Несмотря на различия функций силовых и низкочастотных трансформаторов, основные физические процессы, протекающие в них, - одни и те же. Поэтому трансформаторы различного схемного нажачёния имеют однотипную конструкцию: любой трансформатор) состоит из сердечника, изготовленного из магнитного материала, на котором раз-

мещена катушка с обмотками. Часто для изготовления различных по назначению трансформаторов используют совершенно одинаковые материалы.

§ 8.2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ КОНСТРУКТИВНОГО РАСЧЕТА

Цель расчета трансформатора или дросселя - определить марку материала сердечника и его размеры, марку провода, его диаметр и число витков обмотки, конструкцию каркаса и обмотки, а также параметры ряда других элементов.

Для расчета трансформатора низкой частоты необходимо знать:

1. Индуктивность первичной обмотки Lj. Этот параметр определяет коэффициент усиления каскада в области низших частот: чем больше величина Li, тем меньше завал частотной характеристики. Поэтому при расчете трансформатора этот параметр обычно ограничивают минимально допустимым значением.

2. Коэффициент трансформации n=W2/wi, где wz - число*витков вторичной обмотки; wi - число витков первичной обмотки.

Коэффициент трансформации влияет на коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления, а также на ряд других параметров усилительного кайсада.

3. Индуктивность рассеяния трансформатора L которая влияет на вносимые трансформатором частотные искажения в области высших частот. Чтобы получить усилительный каскад, работающий на активную нагрузку, с малыми частотными искажениями, необходимо уменьшить Ls, значение которой ограничивают максимально допустимым значением.

4. Сопротивление обмоток трансформатора г\, Гг,... , г„, которое влияет на его к.п.д., а следовательно, на к.п.д. и коэффициент усиления каскада.

Указанные параметры характеризуют свойства трансформатора.

Для конструктивного расчета трансформатора кроме перечисленного необходимо знать диапазон усиливаемьк частот, значение постоянного тока, проходящего через первичную обмотку трансформатора, напряжения источника питания, значение мощности, отдаваемой в нагрузку, уровень входного сигнала, требования к массе, габаритам и стоимости, а также условия эксплуатации.

Исходными данными для расчета силового трансформатора являются: 1) напряжение и частота питающей сети; 2) напряжения и токи вторичных обмоток; 3) требования к массе, габаритам, стоимости; 4) условия эксплуатации; 5) схема трансформатора.

§ 8.3. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Если ферромагнитный материал поместить в магнитное поле, то он намагнитится. Степень намагничивания характеризуется значением индукции В, которая возникает под действием поля с напряженностью Я. Индукцию в выражают в теслах; напряженность поля Н-в амперах на сантиметр длины магнитной силовой линии (aw):

aw = Iwl Ic,

(8.1)

тде w - число витков катушки, образующей магнитное поле; / - ток, проходящий через катушку. А; 1 - длина магнитной силовой линии, см. .

В зависимости от характера тока, проходящего через катушку, различают постоянное и переменное магнитные поля. Напряженность постоянного поля обозначаю! индексом awo, а переменного - aw.

При увеличении напряженности поля сначала индукция В растет; после достижения некоторого значения дальнейшего роста индукции не происходит. Это значение называют индукцией насьшхения.

Значение индукции В может быть связано с напряженностью поля через магнитную проницаемость:

dBldH = ]i.

Магнитная проницаемость ц показывает, во сколько раз увеличивается индуктивность катушки при введении в нее сердечника. Магнитная проницаемость не есть величина постоянная. Зависимость ц от амплитудного значения индукции В^ в переменном магнитном поле приведена на рис. 8.1 (awo=0). Значение ц при Вт, равном или близком нулю, называют начальной магнитной проницаемостью Цн; при увеличении Вт сначала Цн растет, а затем начинает уменьшаться, достигая сколь угодно малого значения. Значения ц„ для трансформаторных сталей можно найти в справочниках [16].

Если в обмотке трансформатора кроме переменного тока есть и постоянная составляющая тока, то в сердечнике появляется дополнительно постоянное магнитное поле. В этом случае магнитная проницаемость ц зависит и от постоянной составляющей напряженности поля awo: при увеличении постоянного подмагничивания магнитная проницаемость уменьшается.

Магнитная проницаемость материала зависит также от зазора /3. в магнитопроводе. Если трансформатор работает без постоянного подмагничивания, то при увеличении зазора магнитная проницаемость уменьшается (кривая awo =0 на рис. 8.2). Если трансформатор работает

3000

2000

1000

о 0,1 0,3 0,5 0,7 0,3 1,1В^,Тл

Рис. 8.1. Зависимость магнитной проницаемости от индукции (для стали Э-310)

Рис. 8.2. Зависимость магнитной проницаемости от зазора

800 700

SOD Ш 300 200 100

г.о

60 80

----и

Рис. 8-3. Зависимость оптимальной начальной проницаемости и оптимального зазора от постоянного подмагничивання

С ПОСТОЯННЫМ подмагничиванием, то при увеличении зазора магнитная проницаемость сначала растет, а потом начинает уменьшаться. Максимальное значение магнитной проницаемости, которое можно получить при заданной индукции и наличии постоянного подмагничивання за счет создания воздушного зазора в магнитопроводе, обозначают ц„пт, соответствующее ему значение зазора-/о„т. Чем больше постоянное подмагничивание, тем больший зазор нужно делать в сердечнике для получения Нот. При увеличении постоянного подмагничивання максимальное значение магнитной проницаемости Нопт уменьшается.

На рис. 8.3 приведены значения оптимальной начальной проницаемости Ро т и соответствующие им зазоры /опт, выраженные в процентах по отношению к длине магнитной силовой линии, для некоторых марок стали.

Когда сердечник из магнитного материала находится в переменном магнитном поле, часть энергии этого поля расходуется в сердетаике. Эти потери складьшаются из потерь на вихревые токи и потерь на гистерезис (потерь на перемагничивание).

Потери на вихревые токи зависят от удельного сопротивления материала сердечника и от частоты магнитного поля. Чтобы уменьшить эту составляющую потерь, для сердечников применяют специальные трансформаторные стали с большим удельным сопротивлением. Кроме того, сердечник изготавливают из тонких листов, изолированных друг от друга. Чем выше частота тока, тем больше потери на вихревые токи, поэтому сердечники трансформаторов, работающих на высоких частотах, делают из более тонкого материала.

Потери на гистерезис зависят от индукции в сердечнике: чем больше Ю1дукция, тем больше потери. Обычно при расчетах эти составляющие потерь не разделяют.

Свойства материала оценивают удельными потерями уд , которые представляют собой суммарные потери на вихревые токи и гистерезис, отнесенные к 1 кг материала, при заданных частоте магнитного поля и индукции.

Широкое применение в трансформаторах получили холоднокатаные текстурованные стали марок Э-310-Э-360. В этих сталях при холодной прокатке получается ориентация кристаллов вдоль направления проката. Стали Э-310-Э-360 имеют вдоль направления проката более высокую индукцию и меньшие потери. Применение холоднокатаных сталей позволяет сократить габариты трансформатора, особенно если сердечник сконструирован так, что в трансформаторе магнитные силовые линии располагаются вдоль направления проката.

§ 8.4. ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИЙ ТРАНСФОРМАТОРОВ \ И ДРОССЕЛЕЙ

Трансформатор, как и дроссель, состоит из Одной или нескольких индуктивных катушек с обмот1ми, которые надеваются на сердечник из магнитного материала (магнитопровод), а также элементов, служащих для скрепления частей сердечника и закрепления трансформатора в аппарате.

Магнитопроводы. Для трансформаторов и дросселей применяют три типа магиитопроводов: стержневой, броневой и кольцевой (рис. 8.4).

При использовании броневого магнитопровода все обмотки трансформатора размешают на одной катушке, которую надевают на средний стержень магнитопровода. При использовании стержневого магнитопровода на двух его стержнях располагают две катушки. В маломощных силовых и низкочастотных трансформаторах используют броневые сердечники, так как применение одной катушки упрощает конструкцию и позволяет получить максимальный коэффициент заполнения окна магнитопровода медью. Стержневую конструкцию используют обычно для трансформаторов большой и средней мощности; наличие двух катушек увеличивает площадь теплоотдачи и улучшает тепловой режим обмоток. Преимуществом стержневой конструкции является слабое внешнее магнитное поле, так как поля двух катушек направлены навстречу друг другу. Наименьшее внешнее поле получается при использовании в трансформаторах кольцевых сердечников. Однако эти сердечники в настоящее время применяют редко из-за низкой производительности труда при намотке провода.

По конструкции броневые и стержневые магнитопроводы подразделяют на собранные из штампованных пластин и ленточные.

Сборку из штампованных пластин производят впередьшпсу или встык (рис. 8.5). В первом случае обеспечивается минимальный воздушный зазор в магнитопроводе, что необходимо для трансформаторов, работающих без постоянного подмагничивания, и для силовых трансформаторов. При сборке встык за счет установки между Ш-образными и замыкающими пластинами прокладки из изоляционного материала можно получить немагнитный зазор, что требуется для трансформаторов, работающих с постоянным подмагничиванием.

Ленточный магнитопровод можно получить навивкой и склейкой полосы трансформаторной стали. После разрезки, необходимой для установки катушек, получают С-образные сердечники, из которых соби-

Рис. 8.4. Ленточные магнитопроводы: а - броневой; б - стержневой; в - кольцевой

Рис. 8.5. Способы сборки магнитопроводов из штампованных пластин (зазор между пластинами показан условно):

а - сборка встык; б - сборка вперекрышку : (1 - Ш-образная пластина; 2 - замыкающая пластина

рают броневые и стержневые магнитопроводы (для изготовления ленточных сердечников применяют и другие технологические процессы). Для получения минимального немагнитного зазора в магнитопроводе торцы сердечников после установки в катушку склеивают пастой, содержащей ферромагнитный материал. Если зазор необходим, то в месте стыка двух сердечников устанавливают прокладки из бумаги или картона необходимой толщины. Ленточная конструкция сердечников позволяет механизировать процесс изготовления. При этом трудоемкость процесса установки сердечника в катушку уменьшается, а отходы материала сокращаются. При использовании текстурованных сталей применение ленточных сердечников позволяет сократить размеры и массу трансформатора. Это происходит потому, что в штампованных сердечниках часть магнитных силовых линий проходит перпендикулярно направлению проката. При этом имеют место большие потери в стали. В ленточных сердечниках линии поля расположены вдоль направления по всей длине магнитопровода.

К основным параметрам сердечника относятся: средаяя длина магнитной силовой линрш /с; средняя длина витка катушки / ; площадь поперечного сечения магнитопровода s, площадь окна So и масса магнитопровода Gc. Сердечники, применяемые в радиоэлектронной аппаратуре, нормализованы. Их размеры и указанные параметры можно найти в соответствующих нормалях или в [16]. В приложении 3 приведены основные параметры магнитопроводов типа ШЛ. (

Каркасы катушек. Основание, на котором размещен и закреплен провод обмотки трансформатора, называют каркасом. По конструкции каркасы могут быть разделены на две основные группы: со щечками (рис. 8.6, а) й без щечек - гильзы (рис. 8.6, в).

Каркасы со щечками изготовляют прессовкой (например, из АГ-4) или сборными из листовых из1йТяционных материалов (электроизоляционного картона, гетинакса).

Гильзы делают из тонкого картона или кабельной бумаги навивкой нескольких слоев на оправКе и склейкой их. Для вывода концов обмотки в щечках каркаса делают отверстия (см. рис. 8.6, а) и крепят контакты.

Трансформаторы, в которых каркасы катушек вьшолнены в виде гильз, обладают лучшими технологическими характеристиками, поскольку гильза значительно проще каркаса со щечками и процесс изготовления

Рис. 8.6. Каркасы и прокладки катушек: а - каркас со щечками; б - прокладка междурядная и междуобмоточная для каркаса со щечками; в - схема намотки на гильзе; 1 - гивьза; 2 - первая обмотка; 3 - междурядная прокладка; 4 - междуобмоточная прокладка: 5 - наружная изоляция; б-вторая обмотка

гильз лучше поддается механизации. Кроме того, при использовании гильз можно на высокопроизводительных станках производить намотку сразу большого числа катушек, что также резко снижает затраты на производство. Вместе с тем каркасы со щечками устраняют один из дефектов намотки - сползание крайних в ряду витков и замыкание их на магнитопровод. Этот дефект появляется в большинстве случаев при недостаточно тщательной наладке намоточных станков.

Технико-экономические преимущества трансформаторов, имеющих каркас в форме гильзы, особенно проявляются при выпуске трансформаторов большими партиями и соответствующем оснащении технологического процесса. Поэтому унифицированные трансформаторы, рассчитанные для массового производства (см. § 8.8), имеют каркас катушки в виде гильзы.

Размер отверстия в каркасе и 6 следует брать на 0,5-1 мм больше, чем размеры соответствующей части магнитопровода, которая входит в это отверстие, а длину каркаса следует брать на 0,5-1 мм меньше, чем высота окна в магнитопроводе (см. рис. 8.4). Это обеспечивает свободную установку каркаса на магнитопровод. Толщина стенок каркаса в зависимости от его размеров и используемых материалов составляет обычно от 0,5 до 1 мм.

Обмоточные провода. При производстве трансформаторов радиотехнической аппаратуры применяют медный изолированный провод. Изоляция провода должна обладать следующими свойствами: малой толщиной, большим пробивным напряжением, механической прочностью, хорошим сцеплением с металлом провода, гибкостью, малым изменением электроизоляционных свойств при длительном воздействии повышенной температуры, нерастворимостью в лаках и составах, применяемых для пропитки трансформаторов.

Для маломощных силовых и низкочастотных трансформаторов.