|
Основные свойства и принцип действия идеального трансформатора нами уже рассматривались. Теперь обратимся к свойствам
реальных трансформаторов, в первую очередь низкочастотных, находящих широкое применение в ламповых усилителях звуковой частоты.
В идеальном трансформаторе магнитный поток, создаваемый первичной обмоткой, полностью и без потерь поглощается во вторичной
обмотке. В реальных трансформаторах картина, конечно, иная.
Потери в трансформаторах обычно подразделяются на две отличающиеся группы: это потери, связанные с трансформаторным железом
(их происхождение связано с нендельностями сердечника трансформатора, изготовленного из специальных сортов стали), и потери
«на меди» (они связаны с чисто омическими потерями в проводнике и обмотках трансформатора). Существуют также потери, связанные
с наличием паразитных межвитковых и межобмоточных емкостей, однако, они наиболее актуальны в радиочастотных трансформаторах.
Тем не менее, при больших величинах паразитных емкостей, о них не стоит забывать и при разработке усилителей звуковой частоты
повышенного качества.
Потери, вызванные сердечником трансформатора. Индуктивность рассеяния
Так как сердечник постоянно намагничивается и размагничивается, и при этом вектор напряженности магнитного поля изменяет
свое направление, то для изменения ориентации магнитных диполей должна постоянно затрачиваться энергия. Эти потери, связаны
с гистерезисными явлениями (остаточной магнитной индукцией при снятии внешнего магнитного поля), и могут быть рассчитаны
с использованием семейства кривых гистерезиса для каждого конкретного материала, используемого при
изготовлении сердечника. Так как эти потери вызываются изменением намагниченности (магнитной индукции) сердечника в течение
полного цикла перемагничивания, то за одинаковый промежуток времени величина потерь будет возрастать, если будет увеличиваться
частота таких изменений магнитной индукции. Поэтому потери на гистерезис возрастают пропорционально увеличению частоты,
и могут быть уменьшены только путем использования материала, имеющего небольшие потери.
Магнитопровод (сердечник) низкочастотных трансформаторов изготавливается, как правило, из металла (специальных сортов
электротехнической стали), поэтому он является проводником электрического тока. Наличие токопроводящего пути через сердечник
способствует протеканию так называемых вихревых токов, возникающих в магнитопроводе за счет э.д.с. самоиндукции, пропорциональной
скорости изменения магнитного потока. Эти вихревые токи, являясь короткозамкнутыми (или круговыми), вызывают дополнительные
потери, которые с ростом частоты возрастают и становятся даже более ощутимыми, нежели потери на перемагничивание сердечника,
рассмотренные выше. С учетом этих потерь, токопроводящий путь, образованный сердечником, посредством вихревых токов оказывает
воздействие на любую обмотку трансформатора наравне со второй обмоткой. Для снижения рассматриваемых потерь в конструкции
магнитопроводов используют набор из тонких изолированных пластин (элементарное увеличение сопротивления на пути протекания
вихревых токов). На эти пластины наносится диэлектрический защитный слой, который создается либо методами химической обработки,
либо нанесением специальных лаков или эмалей. Наиболее рациональным решением данной проблемы является изготовление сердечника
из мельчайших частичек железа с предварительно обработанной поверхностью, а затем спрессованных вместе с использованием
специальных связующих веществ, либо керамики, для образования монолитного магнитопровода. Также широко применятся ферритовые
магнитопроводы. Ферриты являются оксидными магнитными материалами, представляют химические соединения окисла железа с окислами
других металлов, наиболее распространены никель-цинковые и марганец-цинковые ферриты, изготавливают методом горячего прессования.
Вихревые токи пропорциональны квадрату частоты,/2, так как потери пропорциональны не только скорости изменения
напряженности магнитного поля в конкретный момент времени, но также еще и потому, что с увеличением частоты длина волны
уменьшается, что позволяет формироваться большему числу замкнутых токовых контуров в сердечнике. Хотя применение тонких
пластин, изготовленных из электротехнического железа, оказывается достаточным для использования в качестве материала сердечников
трансформаторов, применяемых в звуковом диапазоне частот, в высокочастотном диапазоне уже становится необходимым использовать
ферриты. Еще на более высоких частотах — в СВЧ диапазонах практически все магнитные материалы характеризуются настолько
высокими потерями, что остается использовать трансформаторы с воздушно разделенными катушками.
Потери на перемагничивание сердечника (гистерезис) и вихревые токи достаточно часто в силовых трансформаторах объединяются
под общим названием магнитных потерь и именно они чаще всего бывают причиной нагрева сердечника трансформатора даже в тех
случаях, когда нагрузка к нему не подключена.
В реальных трансформаторах далеко не весь магнитный поток, образованный прохождением тока в первичной обмотке, пронизывает
вторичную обмотку трансформатора и наводит в ней ЭДС. Вызвано это неидеальностью конструкции реального трансформатора. Эти
потери, совместно с потерями на перемагничивание (гистерезис) и потерями на вихревые токи для трансформаторов звукового
диапазона частот, также часто принято объединять в один вид потерь. В целом, эти потери количественно характеризуются так
называемой индуктивностью рассеяния. С теоретической точки зрения, индуктивность рассеяния (относительно первичной обмотки)
определяется путем измерения индуктивности первичной обмотки при коротком замыкании вторичной обмотки трансформатора. На
практике точно замерить величину индуктивности рассеяния достаточно сложно, так как измерение, проведенное только на одной
частоте, всегда искажается на других частотах за счет паразитных емкостей. Тем ни менее, индуктивность рассеяния является
важной теоретической предпосылкой, так как она определяет высокочастотный предел нормальной работы трансформатора.
Индуктивность рассеяния зависит от размеров (q), квадрата отношения количества витков в обмотках (N2),
геометрического параметра (k) трансформатора, но совершенно не зависит от магнитной проницаемости сердечника μr:
Из приведенного выражения следует, что при условии работы на конкретной частоте трансформатор, рассчитанный на более
высокую мощность, будет иметь более высокое значение индуктивности рассеяния, поскольку он будет иметь более крупные размеры
по сравнению с трансформатором, рассчитанным на меньшее значение мощности.
Так как индуктивность рассеяния пропорциональна значению N 2, при разработке трансформатора
всегда необходимо стремиться получить параметр, характеризующий соотношение количества витков обмоток трансформатора, как
можно меньший по величине. По этой причине использование параллельной работы выходных ламп в ламповом усилителе имеет дополнительное
преимущество, заключающееся в том, что при этом уменьшается отношение необходимого числа витков в его обмотках (поскольку
выходное сопротивление ламп при параллельном включении уменьшается).
Геометрический параметр k зависит от двух основных определяющих: типа и конструкции сердечника и его характеристик,
а также конструкции и технологии изготовления обмоток трансформатора.
Для стандартных силовых трансформаторов используется, как правило, сердечники с Ш-образной формой пластин, когда каждый
слой образуется Ш-образной пластиной и простой замыкающей торцевой пластиной. При укладке слоев пространственная ориентация
пластин часто чередуется, чтобы уменьшить воздушный зазор в месте стыка пластин. Обмотки трансформатора конструктивно представляют
собой катушку, одеваемую на среднюю ось буквы «Ш» сердечника. Такая конструкция трансформатора часто называется броневой
(рис. 5.14).
Традиционно очень высокими характеристиками обладают трансформаторы, имеющие С-образные сердечники. Такие трансформаторы
изготавливаются намоткой
длинной ленты в виде толстостенного, несколько приплюснутого с боков цилиндра, который затем разрезается по образующей
на две части. Плоскости разреза сердечника тщательно шлифуются. Затем наматываются обмотки трансформатора (конструктивно
в виде двух катушек, обычно содержащих части витков первичной и вторичных обмоток каждая), после чего в обмотки вставляются
половинки сердечника таким образом, чтобы шлифованные поверхности точно прилегали друг к другу, образуя минимальный зазор.
Для надежного скрепления всей конструкции в единое целое используется стальная лента. Эту конструкцию трансформатора часто
называют стержневой (рис. 5.15).
Рис. 5.14 Послойное чередование порядка укладки Ш-образных пластин при сборке магнитопровода
Рис. 5.15 Варианты использования С-образного сердечника
Сердечник с С-образной формой достаточно дорог из-за сложного технологического процесса, неточная сборка сердечника может
привести к образованию воздушного зазора, что приведет к возникновению именно тех недостатков, от которых должна была бы
избавить эта конструкция. Более современная конструкция представляет сердечник, намотанный в виде тороида (тора), но при
этом он не разрезается, а используется специальный намоточный станок, позволяющий производить изготовление обмоток прямо
на сердечнике. Такие трансформаторы характеризуются очень низкими значениями индуктивности рассеяния (рис. 5.16).
Рис. 5.16 Тороидальный трансформатор
Нельзя не вспомнить интересный исторический конфуз, который заключается в том, что хотя тороидальные сердечники и считаются
самыми современными, самый первый изготовленный трансформатор имел тороидальную форму! Изготовил же его Майкл Фарадей в августе
1831 года.
Как тороидальный, так и С-образный сердечники имеют дополнительное преимущество, заключающееся в том, что магнитный поток
всегда протекает в одном и том же направлении относительно направления, характеризующего ориентацию зерен кристаллической
структуры материала сердечника, тогда как в Ш-образных сердечниках он вынужден проходить поперек плоскости ориентации зерна
в некоторых частях магнитопровода. Этот фактор приобретает достаточно серьезное значение, так как кремнистая электротехническая
сталь с ориентированными зернами (GOSS) может пропускать потоки большей плотности до наступления насыщения в направлении,
параллельном расположению плоскости зерен (направлению легкого намагничивания), по сравнению с направлением, перпендикулярным
плоскости ориентации зерна. В силу этого Ш-образные сердечники могут работать при плотностях магнитного потока, которые
ниже значения насыщения для направления, перпендикулярного зернам, тогда как С-образные и торроидальные сердечники могут
работать при более высоких значениях плотности потока, что позволяет уменьшить размеры самого магнитопровода.
Геометрия катушек трансформатора может быть улучшена путем чередования слоев намотки первичной и вторичной обмоток или
путем их секционирования, что
позволяет получить гораздо лучшие результаты по сравнению со схемой, когда сначала на каркас полностью наматывается первичная,
а затем вторичная обмотки.
Увеличение количества секций улучшает взаимодействие между первичной и вторичной обмотками, что значительно снижает индуктивность
рассеяния, но при этом увеличивается паразитная емкость (рис. 5.17).
Рис. 5.17 Взаимное расположение первичной и вторичной обмоток на каркасе, обеспечивающее хорошую
изоляцию, но приводящее к увеличенным значениям индуктивности рассеяния
Хотя секционирование обмоток достаточно просто осуществляется в Ш-образных и С-образных сердечниках, для тороидальных
сердечников его выполнение связано с определенными трудностями. Более того, геометрический фактор для тороидальных сердечников
очень низок, поэтому достаточно легко растерять все преимущества, связанные с сердечником, за счет некачественной обмотки
трансформатора. Силовые трансформаторы на тороидальных сердечниках считаются не самым лучшим решением именно из-за существенных
потерь магнитного потока в точках, где осуществляются выводы от обмоток трансформатора.
Одним из приемов, позволяющих улучшить геометрический фактор, связанный с технологией намотки обмоток, является использование
бифилярной намотки, то есть приема, когда два различных провода наматываются рядом друг с другом. Если одни из проводов относится
к первичной обмотке, а второй провод — ко вторичной, то таким образом осуществляется превосходное магнитное взаимодействие
двух обмоток и значительное снижение индуктивности рассеяния. Этот технический прием гораздо дешевле секционирования обмоток,
так позволяет использовать намоточные станки, наматывая одновременно не только два, но три, либо четыре провода различных
обмоток.
К сожалению, существует два ограничения для широкого применения многопроводной (многофилярной) схемы намотки. Первая
связана с тем, что очень тонкая полиуретановая изоляция медного провода очень легко повреждается во время процесса намотки
и может быть легко пробита, если напряжение между обмотками превысит 100 В, что осложняет изготовление трансформатора, способного
изолировать высоковольтный источник питания. Тем ни менее, в очень неплохом 50-ваттном усилителе фирмы Макинтош (Mclntosh)
используются выходной трансформатор с многопроводной намоткой и высоковольтный источник питания с напряжением
440 В! И второе соображение, значительно возросшая межвитковая емкость между первичной и вторичной обмотками совместно
с уменьшенной индуктивностью утечки могут привести к возникновению резонанса на гораздо более низкой частоте по сравнению
с трансформатором, у которого использовано секционирование обмоток. Существует и третья причина. Как правило, диаметры провода
первичной и вторичной обмоток существенно различаются, поэтому при намотке возникают неплотности, значительно снижающие коэффициент
геометрии трансформатора. Кроме того, число витков первичной и вторичной обмоток, как правило, сильно отличаются.
Многопроводная намотка используется, в основном, при изготовлении небольших трансформаторов в цепях прохождения сигнала
с очень низким отношением числа витков в обмотках (в идеале это отношение должно быть 1:1), например, в выходных трансформаторах
симметричных линий, используемых в студийной аппаратуре.
|
