Исследование взаимосвязей электрических и конструктивных характеристик импульсных трансформаторов

Федеральное агентство по образованию РФ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Владимирский государственный университет

Факультет радиофизики, электроники и медицинской техники

Кафедра КТРЭС

Отчет по лабораторной работе №2

Исследование взаимосвязей электрических и конструктивных характеристик импульсных трансформаторов

 по дисциплине Элементы электронных средств

Работу выполнил:

Студент гр. Р-103

Проверил:

Владимир 2006                             

Цель работы: исследование взаимосвязей между конструктивными и электрическими характеристиками импульсных трансформаторов, а также влияния величины сопротивления и характера нагрузки на форму передаваемых импульсов.

Лабораторное задание: 1. Рассчитать по конструктивным данным параметры эквивалентной схемы; 2. Воспользовавшись пакетом Electronic Workbench, получить АЧХ трансформатора и осциллограмму для передачи импульса указанной в таблице длительности.

Краткие теоретические сведения.

Импульсный трансформатор (ИТ) используется для трансформации импульсов напряжения с целью: повышения или понижения напряжения и изменения формы импульсов; согласования сопротивлений нагрузки и источника импульсов; исключения в нагрузочной цепи постоянной составляющей тока источника; развязки потенциалов источника и нагрузочной цепи; одновременной подачи в различные цепи импульсов напряжения разной полярности и высоты, но одинаковой формы. Характерные особенности режима работы ИТ – высокая скорость нарастания магнитного поля в магнитопроводе, что приводит к резкому возрастанию потерь на вихревые токи и уменьшению магнитной проницаемости; большая ширина спектра передаваемого сигнала и односторонне намагничивание.

Основное требование к ИТ заключается в передаче трансформируемых импульсов с умеренным искажением формы. Искажение обусловлено действием паразитных емкостей и индуктивности рассеяния обмоток ИТ.

Объектом исследования работы является малогабаритный импульсный трансформатор МИТ-4В. Он выполнен на тороидальном пермаллоевом магнитопроводе (79НМ, лента толщиной 0,15 мм). Сечение магнитопровода 3х4 мм, внешний диаметр кольца 20 мм, имеет 3 обмотки по 100 витков (используется две обмотки), тип провода обмотки - ПЭЛ 0,23 мм. Длительность импульсов берется 0,25 мкс. Устройство трансформатора показано на рис. 1.

Рис. 1. Устройство МИТ-4В: 1 – магнитопровод; 2 – пластмассовый каркас; 3 – обмотки; 4 – опрессовка

Для анализа работы импульсных трансформаторов  и расчета параметров трансформируемых импульсов используется эквивалентная схема (рис. 2) .

Рис. 2. Эквивалентная схема импульсного трансформатора

В схеме содержатся следующие компоненты:

R_i – внутренне сопротивление источника сигнала (генератора);

С_i – выходная емкость источника импульсов;

С’_1р - приведенная динамическая распределенная емкость первичной обмотки;

r₁ – активное сопротивление первичной обмотки;

L_S – индуктивность рассеяния;

L_m - индуктивность намагничивания (индуктивность первичной обмотки);

r’₂ – приведенное  активное сопротивление вторичной обмотки;

С’_2р - приведенная динамическая распределенная емкость вторичной обмотки;

С’_н – приведенная емкость нагрузки;

R’_н – приведенное сопротивление нагрузки.

Последовательность импульсов характеризуется частотой f_n и периодом Т_n  повторения импульсов, а также скважностью . Для неискаженной передачи полоса пропускания импульсных устройств должна быть больше активной ширины спектра импульсов , а высшая частота полосы пропускания – выше высшей частоты спектра f_в.  Численно = f_в. Для прямоугольных импульсов можно считать, что f_в = (1-2)/t_и.

Расчет параметров трансформатора

При длительности импульсов  t_и = 0,25 мкс высшая частота должна быть f_в = 4 МГц.

Параметры обмоток трансформатора.

1.  Эквивалентная индуктивность намагничивания (индуктивность первичной обмотки):

,                                                 (1)

где m_с – проницаемость магнитопровода сердечника (для пермалоя m_с = 10⁵ );

N – число витков обмотки, N = 100;

S – площадь сечения магнитопровода, S = 3∙4 = 0,12 см²;

l – длина средней силовой линии, l = pd_ср = 17p= 5,341 см.

Поэтому мГн.

2.  Сопротивление обмоток

Обмотки идентичны, они немного отличаются радиусом намотки, поскольку одна намотана сверху другой. Дополнительно имеется каркас, толщина его стенок δ=0,12 мм. Толщина междуобмоточной изоляции равна δ=0,12 мм. Тогда средний периметр 1-ой обмотки равен

,                                        (2)

где a, b – длины сторон магнитопровода;

d_пр – диаметр провода с изоляцией, для ПЭЛ 0,23 d_пр=0,23 мм, толщина изоляции 0,025 мм.

Тогда

мм.

Сопротивление первой обмотки

,                                                               (3)

где ρ –удельное сопротивление провода, для меди ρ=17∙10^-7 Ом∙см.

Тогда

 Ом.

Средний периметр мм. Тогда сопротивление 2-ой обмотки равно

 Ом.

Поскольку коэффициент трансформации равен 1, то приведенное сопротивление вторичной обмотки равно .

3.  Внутренне сопротивление источника сигнала (генератора)

R_i = 50 Ом.

4.  Индуктивность рассеяния

,                                                                                   (4)

 - магнитная постоянная,  Гн/м;

а – высота цилиндра магнитопровода, а=0,003 м;

V- объем магнипровода, V = Sl = 0,12∙5,341∙10^-6 = 0,64∙10^-6 м³.

Откуда

 мкм.

Как видно, условие L_μ>>L_S соблюдается.

5. Емкости обмоток в два раза меньше межслоевой емкости С₁ = С₂ = С₀/2.

,                                                                     (5)

где ε₀ – диэлектрическая постоянная, равная 8,85∙10^-12 Ф/м;

ε – проницаемость среды, ε=3.

h – средний периметр обмотки, h= 0,016 м. Тогда С₁ = С₂ = 95 пФ.

Экспериментальная часть

Моделирование производится в среде Electronics Workbench ver.5.12. Схема трансформатора показана на рис. 3.

Рис. 3. Экспериментальная схема трансформатора

На вход трансформатора подаем прямоугольный импульс с частотой 1 МГц и длительность импульса 0,25 мкс. Осциллограмма напряжении на входе и выходе схемы показана на рис. 4.

Рис. 4. Осциллограмма напряжений: 1 – входной импульс; 2 – выходной импульс

Согласно осциллограмме передача импульса идет с искажением, появился паразитный колебательный процесс с частотой f=25 МГц. Но импульс имеет форму близкую к прямоугольной.

АЧХ трансформатора показана на рис. 5.

Рис. 5. АЧХ трансформатора

Ширина полосы пропускания 20 МГц. Но на этой частоте при сохранении уровня сигнала, сигнал имеет не прямоугольную, а синусоидальную форму.

Индуктивность рассеяния оказывает значительное влияние на форму импульса. С ее уменьшением паразитный колебательный процесс затухает (рис. 6). Аналогично происходит если уменьшать С₂ (рис. 7).

Рис. 6. Форма входного и выходного импульса при L_S=0,05 мкГн

Рис. 7. Форма входного и выходного импульса при С₂=9,5 пФ

Вывод: в ходе работы был исследован импульсный трансформатор. Были рассчитаны основные параметры такого трансформатора: ёмкость, индуктивность, сопротивление. Были смоделированы сигналы на входе и выходе трансформатора при заданной длительности.