зачем нужен согласующий трансформатор
Зачем нужен согласующий трансформатор
Согласующий трансформатор
Поскольку трансформаторы способны понижать или увеличивать напряжение и ток на любую величину, а так же эквивалентно передавать энергию между первичной и вторичной обмотками, их можно использовать для «преобразования» импеданса нагрузки на любую величину. Последняя фраза заслуживает некоторого объяснения, поэтому давайте рассмотрим, что это означает.
Задача нагрузки обычно состоит в том, чтобы сделать что-то продуктивное с рассеиваемой мощностью. В случае с резистивным нагревательным элементом практическая цель рассеиваемой мощности состоит в том, чтобы нагреть что-либо. Все нагрузки рассчитываются на безопасное рассеивание определенного максимального количества энергии, но, две нагрузки с одинаковой номинальной мощностью не обязательно должны быть идентичными. Давайте рассмотрим два резистивных нагревательных элемента мощностью 1000 Вт каждый:
Если мы возьмем нагревательный элемент рассчитанный на 250 В (из первой схемы), и подключим его к схеме с источником питания на 125 В (ко второй схеме), то нас ждет большое разочарование. При импедансе (сопротивлении) 62,5 Ом ток в схеме будет составлять всего 2 А (I = U / R; 125 / 62,5), а мощность, рассеиваемая на нагревательном элементе, будет составлять всего 250 Вт (P = IU; 125 x 2) или четвертую часть от его номинальной мощности. Сопротивление нагревательного элемента и напряжение источника в этом случае будут несогласованными, и мы не получим полного рассеивания мощности от нагревателя.
Однако, не все так плохо. У нас получится использовать нагревательный элемент на 250 вольт в схеме с питанием 125 вольт, если мы воспользуемся повышающим трансформатором:
Коэффициенты преобразования напряжения, тока и импеданса можно рассчитать по следующим формулам:
А теперь давайте вспомним Теорему о максимуме отдаваемой мощности. В ней говорится, что сопротивление нагрузки будет рассеивать максимальное количество энергии только в том случае, когда это сопротивление будет равно сопротивлению Тевенина / Нортона источника питания. Заменив слово «сопротивление» на «импеданс», мы получим версию данной теоремы для переменного тока. Если мы хотим получить максимальное рассеивание мощности нагрузкой, мы должны правильно согласовать импеданс нагрузки и импеданс источника питания (Тевенина / Нортона). Этот вопрос, как правило, больше касается специализированных электрических цепей, таких как радиопередатчики, антенны и аудиоусилители, акустические системы. Давайте возьмем систему аудиоусилителя и посмотрим, как она работает:
При внутреннем импедансе 500 Ом усилитель сможет отдать полную мощность только на нагрузку (динамик), также имеющую импеданс 500 Ом. Такая нагрузка будет понижать более высокое напряжение и потреблять меньше тока, чем потреблял бы динамик с импедансом 8 Ом, рассеивая при этом такое же количество энергии. Если динамик на 8 Ом подключить непосредственно к усилителю с импедансом 500 Ом, как показано на рисунке, то несоответствие импедансов приведет к значительному ухудшению характеристик (понижению пиковой мощности). Кроме того, пытаясь управлять динамиком с низким импедансом, усилитель значительное количество энергии будет рассеивать в виде тепла.
Чтобы наша система работала лучше, можно использовать трансформатор, который будет согласовывать разные импедансы. Поскольку мы переходим от источника питания с высоким импедансом (высокое напряжение, низкий ток) к нагрузке с низким импедансом (низкое напряжение, большой ток), нам необходимо использовать понижающий трансформатор:
Согласующий трансформатор согласовывает импеданс усилителя (500 Ом) с импедансом динамика (8 Ом) с целью достижения максимальной эффективности.
Чтобы получить коэффициент преобразования импеданса 500 : 8, нам понадобится соотношение витков первичной и вторичной обмоток равное квадратному корню из 500 : 8 (или квадратному корню из 62,5 : 1 или 7,906 : 1). При наличии такого трансформатора динамик будет нагружать усилитель до необходимого предела, потребляя при этом мощность на нужных уровнях напряжения и тока (чтобы соблюсти Теорему о максимуме передаваемой мощности и обеспечить наиболее эффективную подачу мощности в нагрузку). Трансформатор в данном случае будет называться согласующим.
Любой, кто ездил на «скоростном» велосипеде, может интуитивно понять принцип работы согласующего трансформатора. Ноги человека будут отдавать максимальную мощность при вращении педалей с определенной скоростью (от 60 до 90 оборотов в минуту). Выше или ниже этой скорости вращения мышцы ног человека менее эффективно вырабатывают энергию. Целью «звездочек» велосипеда является согласование импеданса ног водителя с условиями езды, чтобы они всегда вращали педали с оптимальной скоростью.
Если велосипедист попытается начать движение на «высокой» передаче, ему будет очень тяжело сдвинуться с места. Почему это произойдет, потому что велосипедист слаб? Конечно же нет. Это произойдет потому, что высокое передаточное число цепи и звездочек выбранной передачи представляет несоответствие между условием начала движения (большая инерция, которую нужно преодолеть) и ногами велосипедиста ( для достижения максимальной выходной мощности ему необходимо вращать педали со скоростью 60-90 об / мин ). С другой стороны, выбор слишком «низкой» передачи позволит велосипедисту незамедлительно начать движение, но ограничит максимальную скорость, которую он сможет достичь. Опять же, является ли отсутствие скорости признаком слабости в ногах велосипедиста? И снова нет. Это произойдет потому, что более низкое передаточное число выбранной передачи создст другой тип несоответствия между условием начала движения (низкая нагрузка) и ногами велосипедиста (потеря мощности при вращении быстрее, чем 90 об / мин). То же самое касается и источников электроэнергии с их нагрузками: для максимальной эффективности системы должно быть соответствие импедансов. В цепях переменного тока трансформаторы выполняют ту же функцию, что и звездочки с цепью на велосипеде, они согласуют импедансы источника и нагрузки.
Согласующие трансформаторы п о конструкции или внешнему виду принципиально не отличаются от трансформаторов любого другого типа. На следующей фотографии вы можете увидеть небольшой согласующий трансформатор (шириной около двух сантиметров), использующийся в аудиоусилителях:
На этой печатной плате, в верхнем правом углу, слева от резисторов R2 и R1, можно увидеть другой согласующий трансформатор. Он обозначен как «T1»:
Согласующий трансформатор
Согласующий трансформатор — электротехническое устройство, обеспечивающее передачу или преобразование полезного гармонического сигнала различной частоты с минимальными искажениями и потерей мощности. Такой результат становится возможным только благодаря точному согласованию полного сопротивления (импеданса) источника сигнала и нагрузки или отдельных каскадов электронных схем.
Назначение
Известно, что минимизировать потери электрических сигналов при передаче потребителю можно только тогда, когда его полное сопротивление соответствует внутреннему сопротивлению источника. Это правило действует для всех схем — многокаскадных электронных устройств, при подключении нагрузки к усилителям или подаче на них сигнала, например, от звукоснимателя или микрофона.
Основное назначение согласующего трансформатора связано именно с необходимостью масштабирования сопротивления источника и нагрузки. При этом само непосредственное изменение показателей силы тока и напряжения не имеет значения. Применяются такие приборы тогда, когда требуется подключение нагрузки, не соответствующей по сопротивлению допустимым значениям для источника сигнала.
Принцип работы
При подключении к первичной обмотке трансформатора источника переменного тока за счет сердечника магнитный поток, который охватывает и вторичную обмотку устройства. При этом индуцируется электродвижущая сила, которая и обеспечивает появление в цепи тока при подключении нагрузки. Благодаря этому осуществляется передача энергии или сигнала без непосредственной электрической связи между обмотками.
Принцип работы трансформатора
Чтобы обеспечить согласование нагрузки и источника по сопротивлению, соотношение числа витков во вторичной обмотке к первичной должно равняться квадратному корню отношения сопротивления нагрузки и источника сигнала. Только в этом случае можно обеспечить передачу без лишних потерь энергии и искажений.
Пример расчёта
Необходимо рассчитать коэффициент трансформации для согласующего трансформатора в ламповом усилителе:
Виды магнитопроводов
Особенности конструкции
Передача энергии между обмотками в трансформаторах осуществляется за счет воздействия создаваемого магнитного поля. В зависимости от типа согласующего устройства оно может иметь разную конструкцию:
Для обмоток применяют изолированный медный провод круглого сечения, диаметр которого подбирается на основании расчета. Допускается и намотка проводниками прямоугольной формы, но только при сечении более 5 мм2. В качестве дополнительной изоляции применяется нанесение 2 слоев специального лака.
Основная область применения
Необходимость подобного масштабирования сопротивления существует практически во всех областях, связанных с передачей электрических сигналов и энергии. Но наибольшее применение согласующие трансформаторы получили в следующих сферах:
На этом область применения не ограничивается. Так, даже обычный сварочный трансформатор в какой-то степени можно считать согласующим, что обусловлено требованиями к величине нагрузки на электрические сети.
Виды согласующих трансформаторов
Наибольшее применение на практике получил звуковой согласующий трансформатор входного и выходного типов. Для усилителей на транзисторной элементной базе используют устройства серии ТОТ (оконечный транзисторный), а на ламповых элементах ТОЛ (оконечный ламповый).
В качестве входных получила применение серия ТВТ (входной транзисторный).
Для антенны применяют устройства тороидального типа на ферромагнитных кольцах или конусах необходимого диаметра. Отметим, что для таких трансформаторов не обязательна сплошная намотка по сечению магнитопровода. Достаточно провести через внутреннюю часть прямые проводники, что позволяет сэкономить на производстве за счет уменьшения потребности в электротехнических материалах.
Особенности в эксплуатации
В любом случае при выборе оборудования этого типа необходимо уточнить допустимые эксплуатационные условия.
Как сделать своими руками
Особых сложностей и отличий в изготовлении согласующих трансформаторов нет. Технология сходна со сборкой понижающих устройств. Но необходимо соблюдать следующие рекомендации:
Отметим, что самостоятельное изготовление устройств такого типа экономически нецелесообразно. Закупка отдельных комплектующих обойдется дороже. Согласующее устройство с требуемым коэффициентом трансформации по сопротивлению в заводском исполнении обойдется дешевле.
Все о согласующем трансформаторе
Трансформатором называют приспособление, задача которого заключается в изменении напряжения переменного тока на переменный ток другого напряжения. Такие преобразователи являются неотъемлемыми элементами различных электрических систем таких как:
В данной статье речь пойдет о такой разновидности преобразующих устройств, как – согласующий трансформатор.
Сущность и принцип действия
Согласующий трансформатор (далее СТ) использует согласование импедансов различных частей электрической цепи во время трансформации и передачи электросигналов. Трансформаторные устройства согласовывают источник поступаемого сигнала с входным импедансом каскада в усилителях с низкими частотами (УНЧ).
Усилители низкой частоты – приспособления, увеличивающие частоты электрических волн до диапазона частот слышимых человеком (20 Гц – 20 кГц). Такие усилители используют как отдельное устройство либо применяют, как часть более сложного.
Примеры приборов с наличием усилителя:
Сущность СТ заключается в следующем – устройство содержит подложку, выполненную из диэлектрического материала и ферритную пластину, имеющую в рабочих частотах дисперсную магнитную проницаемость. Со стороны подложки, обращенной к пластине, располагаются 1-й, 2-й, 3-й проводники, имеющие П-образную форму. С обратной стороны подложки наносится металлизация, имеющая два зазора в виде «П».
1. Подложки диэлектрической; 2-4. Проводников; 5. Полоскового проводника; 6. Металлизации; 7. Контура щелевого; 8. Пластины ферритной; 9. Металлизации; 10–11. Зазоров; 12-13. Вспомогательных щелевых участков.
Принцип работы заключается:
Коммутация проводников 2-4 обеспечивает уменьшение частоты в 2 раза. Данный вариант конфигурации СТ становится проще, отсутствует контакт между слоями. Согласующее устройство может быть исполнено как фрагмент печатной платы более усложненной схемы.
Конструкция
Устройства данного типа в своих конфигурациях используют ряд базовых элементов такие как:
СТ изготавливаются из магнитных проводников высокого качества. Существуют разновидности малых и больших размеров.
Обмотки вокруг магнитопровода, как правило, наматывают из медной изолированной проволоки круглого сечения. Проводник прямоугольного сечения применяется в случае использования большого сечения, около 5-10 мм2.
Корпус такого трансформатора зачастую выполняется цилиндрическим. Такая конструкция более проста в изготовлении и имеет меньшую величину индуктивности рассеяния.
Сердечник отбирается по 2-м критериям:
Величину сердечника выбирают, учитывая конструкционную постоянную нижних величин частот, а также постоянную величину магнитной индукции в сердечнике.
Материал сердечника выбирают исходя из типа трансформатора, учитывая его рабочую среду, степень износа, а также конструкционные особенности и экономические затраты.
Типы согласующих сигнальных трансформаторов
В зависимости от области применения, внешних факторов и требований к аппаратуре существует большое множество разновидностей электрических преобразователей. Рассмотрим примеры моделей ТОТ, ТОЛ и ТВТ.
Трансформаторные устройства типа ТОТ
Предназначаются для работы в холодных климатических условиях при температуре (-60… +90 °С), с высокой вероятностью износа и относительной влажностью
Рис. 3. демонстрирует технические особенности устройства, с обозначение основных конструктивных параметров.
Конструктивные размеры указаны в таблице 1. Производство данных разновидностей трансформаторных устройств использует современную технологию производства на печатных платах с заливкой, кроме того, использование лакирования позволяет противодействовать погодным и механическим воздействиям.
Трансформаторные устройства типа ТОЛ
Устройства данного типа применимы для работы в относительно холодных, тропических климатических условиях, с высокой вероятностью износа при температуре (-50… +130 °С) и относительной влажностью
На рис. 4. представлены изображения устройства с разных видов и обозначения основных конструктивных параметров.
Производство приборов ТОЛ – обеспечивает работу не повреждая обмотки, а также исключает возникновения коррозии на стальных деталях. Кроме того, такие приборы обладают высокой стойкостью к высоким температурам, механическим воздействиям и длительным периодом службы.
Трансформаторные устройства типа ТВТ
Такие СТ изготавливаются малогабаритными, и используются в умеренно-холодных климатических условиях. Рабочая температура колеблется (-60… +85°С), влажность менее 95%. В таких перепадах температуры имеет место вероятность частичного износа трансформатора.
Конструкционная особенность каркаса обеспечивает дополнительную жесткость посредством монтажных выводов. Участок между отводами рекомендуется выдерживать около 2,5 – 3,0 мм. При изготовлении применяются магнитные проводники в виде стержней с высокой магнитной проницаемостью (марки сталей – 79НМА и 50Н), а также высоким показателем индукции технического насыщения.
В конце стоит отметить, что устройства с согласующим трансформатором, перед тем как будут запущены в эксплуатацию, должны пройти необходимые испытания и быть гарантированными для дальнейшей службы. Условием, необходимым для обеспечения соответствующей степени надежности, является реализация ограничений перенапряжения, поскольку при работе СТ может подвергаться более серьезным нагрузкам и иметь большую вероятность износа, нежели при тех, которые проводились на предварительных испытаниях.