Индуктивный делитель напряжения

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в измерительной технике. Целью изобретения является расширение полосы рабочих частот делителя, уменьшение выходного сопротивления и повьшение точности коэффициента деления. Делитель содержит короткозамкнутую цилиндрическую линию, образованную : внешним проводником в виде цилиндра 1 и центральным проводником в виде цилиндрического стержня 2 с тонко-стенным фланцем 3, поперечный индуктивный элемент 4, расположенный между цилиндром 1 и стержнем 2, и кольцевой сердечник 5 с обмоткой, вьюоды 6 которой пропущены через отверстие в торцовой части цилиндра 1. Поперечный индуктивный элемент делителя может быть выполнен в виде тонкого сплошного кольца, 4 з.п. ф-лы, 5 ил. (Л 05 сд 05 о сд фиг. 2

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (51)4 Н О! F 21/12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3947274/24-07 (22) 23.05.85 (46) 30.11.87.Бюл. К 44 (71) Сибирский государственный научно-исследовательский институт метро-. логии (72) Э.А.Абросимов (53) 62! .3 1 7 . 727 (088 .8) (56) Грохольский А.Л. Измерителй добротности. — Новосибирск: Наука, Сибирское отд., 1966, с.74-76.

Там же, с.84-86, рис.2.16. (54) ИНДУКТИВНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в измерительной технике. Целью изоб ретения является расширение полосы

„,SU„„1356015 А 1 рабочих частот делителя, уменьшение выходного сопротивления и повышение точности коэффициента деления. Делитель содержит короткозамкнутую цилиндрическую линию, образованную внешним проводником в виде цилиндра

1 и центральным проводником в виде цилиндрического стержня 2 с тонко-. стенным фланцем 3, поперечный индуктивный элемент 4, расположенный между цилиндром 1 и стержнем 2, и кольцевой сердечник 5 с обмоткой, выводы 6 которой пропущены через отверстие в торцовой части цилиндра 1. Поперечный индуктивный элемент делителя может быть выполнен в виде тонкого сплошного кольца, 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1 13560!

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электрорадиотехнических устройствах различного назначения, в частности в () измерительной технике.

Целью изобретения является расши рение полосы рабочих частот делителя, уменьшение выходного сопротивления и повышение точности коэффициен- 1ð та деления.

На фиг.1 и 2 изображен индуктивный делитель напряжения, общий вид; на фиг.3 и 4 — варианты его выполнения; на фиг.6 — его электрическая схема.

Делитель содержит короткозамкнутую цилиндрическую линию, образованную внешним проводником в виде цилиндра 1 и центральным проводником в виде цилиндрического стержня 2 с тонкостенным фланцем 3, поперечный индуктивный элемент 4, расположенный между цилиндром 1 и стержнем 2, и кольцевой сердечник (магнитный или диэлектрический) 5 с обмоткой, выводы 6 которой пропущены через отверстие в торцовой части цилиндра !.

Поперечный индуктивный элемент 4 делителя может быть выполнен (фиг.3) 3р в виде тонкого сплошного кольца.

С целью повьппения коэффициента деления делителя центральный проводник коаксиальной линии делителя может быть выполнен (фиг.4) в виде цилиндрической катушки 7 индуктивности с магнитным сердечником (или без него), закрепленной между стержнем 2 и цилиндром 1 с фланцем 3.

С этой же целью воздушный зазор 4р между проводниками коаксиальной линии может быть заполнен (фиг.5 ) ферромагнитным материалом 8.

Вторая ступень делителя — индуктивная — начинается непосредственно от 45 вторичного витка трансформатора 1,является продолжением его выводов ) и образуется из индуктивности коаксиальной линии от фланца 3 до поперечного индуктивного элемента 4 и индук- 5р тивности, образованной этим элементом.

Магнитное поле трансформаторной ступени замкнуто внутри полости, где размещен сердечник трансформатора, и не взаимодействует с магнитным полем коаксиальной линии индуктивной ступени делителя, т.е. это поле не искажается. Индуктивный элемент 4

5 2 расположен перпендикулярно оси коаксиальной линии и создаваемое им магнитное поле будет перпендикулярно полю коаксиальной линии, что исключает их взаимодействие.

Кроме того, благодаря закреплению стержня 2 в торцовой части корпуса I и использованию индуктивного элемента 4 одновременно и в качестве опорных элементов для другого конца стержня 2, отпадает необходимость применения каких-либо дополнительных опор из диэлектрического материала,.что обеспечивает равномерность электрического поля в системе. Отсутствие источников искажения элект рического и магнитного полей повьппа ет точность делителя.

Малое выходное сопротивление делителя легко достигается выбором поперечного сечения проводников 4 и их количеством. Увеличение поперечного сечения проводников 4 и их количества приводит к уменьшению общей индуктивности проводников и, следовательно, к снижению выходного сопротивления.

Источник сигнала, развивающий напряжение U (фиг.б) подключен к выводам 6 первичной обмотки Ч транс1 форматора (Тр) .

На вторичной обмотке !! транс2 форматора, выполненной в виде одного объемного витка, напряжение в соответствии с принципом работы трансформатора будет понижено в k раз, где k = v„/v,.

Поскольку w,= =1, то k = w<.

Таким образом, первая — трансформаторная — ступень делителя делит входное напряжение U в k раз и на вторичной обмотке развивается напряжение, равное U/k.

Это напряжение подается на вторую — индуктивную — ступень делителя, образованную индуктивностями L и L и имеющую коэффициент деления

+ L 2 напряжения п = -- — — — (выходное с напряжение снимается с индуктивности 1.,) .

Нагрузка Z „ подключается к торцовым поверхностям цилиндра 1 и стержня 2, т.е. в плоскости, в непосредственной близости от которой расположена индуктивность Е (поз.4, фиг.1).

3 13560

Если принять, что сопротивление нагрузки Z подключенное к индуктивности Ь,много больше ее индуктивного сойротивления, равного W L, на выходе делителя (на индуктивности

L ) напряжение первой ступени, равное U/k, будет поделено еще в и раз, и тогда выходное напряжение делителя 11 вых будет равно:

U вьюк k u

Общий коэффициент деления делителя, определяемый как отношение входного напряжения U к выходному U

15 будет равен:

%ъ гй ° вых

Принятое выше допущение о том, 20 что сопротивление нагрузки Z много больше выходного сопротивления WL, для предлагаемой конструкции легко выполнимо для подавляющего большинства практических случаев, так как 25 выходное сопротивление вследствие очень малых значений индуктивности

Ь (до 10 " Гн) является черезвычайно малым (до миллионных долей Ома и ниже) . 30

Даже на самой верхней рекомендуемой для делителя частоте 300 МГц его выходное сопротивление не превысит 0,02 Ома.

Таким образом, делитель может без заметного снижения точности работать на нагрузки с минимальным сопротивлением от стотысячных долей Ома до десятых долей Ома в широком диапазоне частот от низких звуковых до 40 св ерхв ыс ок их.

Столь широкий рабочий диапазон частот получается благодаря тому, что параметры трансформатора (первой ступени) и параметры индуктивной 45 части (второй ступени) могут в широких пределах варьироваться независимо друг от друга беэ нарушения работы схемы и снижения точности делителя. Это позволяет при конструирова- 50 нии делителя выбирать параметры первой ступени, ориентируясь главным образом на получение достаточно большого входного сопротивления (чтобы меньше шунтировать источник сиг- 55

Нала), а параметры второй ступени— на получение малого выходного сопротивления. При этом токи в на)5 4 грузке могут теоретически достигать сотен тысяч ампер, В реальных конструкциях эти токи ограничиваются мощностью источника сигнала. В экспериментальных делителях при использовании серийных генераторов сигналов переменного тока достигались токи в нагрузке до 1000 А.

Пример. Пусть требуется создать делитель напряжения с коэффициентом деления 1000, выходным сопро" тивлением Е „ не более 0,01 Ом, входным сопротивлением Z „не менее 1О Ом при максимально возможной рабочей полосе частот.

Определим возможные характеристики предлагаемой конструкции трансформаторно-индуктивного делителя для указанных выше требований. Как показывают расчеты, вполне реально получение минимальной результирующей индуктивности радиальных проводников делителя, равной 1.10 "" Гн и меньшей. Например, при 300 радиальных проводниках сечением 5х0,1 мм и длиной не более 5 мм выходная индуктивность L делителя не будет превышать 1.10 " Гц. Тогда верхняя рабочая частота (при Zы,„„= -=0,,010 м) будет равна 159 ИГц. Коэффициент деле-. ния индуктивного делителя возьмем равным 100. Тогда индуктивность L, делителя будет равна 9,9 ° 1 0 "Гн.

Если не применять первой трансформаторной ступени, то нижняя рабочая частота такого индуктивного делителя при заданном входном сопротивлении (10 Ом ) будет равна также 159 МГц, т.е. делитель имел бы одну фиксированную рабочую частоту. При выбранном коэффициенте деления индуктивного делителя, равном 100, трансформатор должен иметь коэффициент деления 10 (так как общий коэффициент задан 1000 }. Если взять трансформатор с сердечником из марки ВЧ-50 (или

ВЧ-30 ) с размерами ф 20х ф 10х8 мм, то при 10 витках первичной обмотки ее ипуктивность L < составит около

1.10 ьГн, а индуктивность рассеяния

? будет порядка 1.10- î Гн. Резонансная частота этого трансформатора .при собственной емкости первичной обмотки около 4 пф (экспериментальные данные ) будет равна 300 МГц, т.е. для данного примера будет много вы= ше верхней рабочей частоты трансформаторного делителя, которая ограни13560 чивается индуктивностью рассеяния объемного витка и равна 15,9 ИГц и выше верхней рабочей частоты индуктивной ступени делителя (159 МГц).

Нижняя рабочая частота трансформатор- 5 ной ступени длеителя будет равна

1,59 МГц. При соединении трансформатора с индуктивным делителем индуктивность рассеяния L окажется соединенной последовательно .с входной индуктивностью Ь„ индуктивного делителя. Поскольку индуктивность рассеяния объемного витка трансформатора практически в 100 раз меньше индуктивности L индуктивного делителя (1.10 " Гн и 9,9.10 9Гн), это не приведет к существенной погрешности делителя в целом. Чтобы полностью исключить эту погрешность достаточно индуктивность Ь„ взять меньшей 20 на значение з, тогда суммарная индуктивность второй ступени делителя будет равна расчетной.

Таким образом, при заданных выше требованиях трансформаторно-индуктив- 25 ный делитель будет иметь рабочую полосу частот от 1,59 МГц до 159 МГц.

Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет создавать делители переменного напряжения с существенно более широким коэффициентом перекрытия по рабочим частотам, чем известные конструкции. Применение гибридных делителей позволяет уменьшить номенклатуру ряда выпускаемых 35 устройств, имеющих сравнительно узкие диапазоны частот (например, измерителей добротности ). Трансформаторно-индуктивные делители напряжения предлагаемой конструкции могут ус-. 40 пешно применяться в полосе частот от единиц герц до 500-700 ИГц с коэффициентами деления от примерно 10 до 10 и более. Наиболее рациональ6 но применение делителей в диапазоне 45 частот 0,1-300 ИГц с коэффициентом деления в пределах от 100 до 10 . В оптимальной области применения можно обеспечить погрешность деления, не превышающую сотых и тысячных долей процента.

По сравнению с прототипом предлагаемый делитель выполнен из двух ступеней, имеющих различные электрические схемы — трансформаторную и индуктивную. Конструкция делителя не содержит каких-либо соединительных проводников между его ступенями, 15 6 которые неизбежно снижали бы точ" ность делителя, т.е. выводы объемного витка трансформатора непосредственно переходят в коаксиальную индуктивность второй ступени делителя. Кроме того, конструкция делителя не содержит каких-либо опорных диэлектрических деталей, которые бы неизбежно приводили к нарушению однородности электрического поля в элементах делителя и снижению его точности.Все элементы конструкции имеют классические геометрические формы, электрические параметры которых (емкость, индуктивность, сопротивление) поддаются точному математическому расчету. Радиальная конструкция выходной индуктивности ступени делителя позволяет получить практически сколь угодно малые значения индуктивности, а следовательно, и сколь угодно малые значения выходного сопротивления делителя, что недостижимо в известных конструкциях делителей.

Благодаря наличию этих признаков становится возможным создание широкополосных делителей напряжения, имеющих значительно большее перекрытие по частоте (на несколько порядков) при заданных миндальном входном и максимальном выходном сопротивлениях. Предлагаемая конструкция делителя позволяет получить сверхмалые выходные сопротивления (миллионные доли Ома и менее).

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

1. Индуктивный делитель напряжения, содержащий короткозамкнутую линию с центральным проводником, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения полосы рабочих частот делителя, уменьшения выходного сопротивления и повышения точности коэффициента деления, он снабжен трансформаторной ступенью, содержащей кольцевой сердечник с первичной обмоткой и поперечным индуктивным элементом, короткозамкнутая линия выполнена цилиндрической, ее центральный проводник расположен коаксиально и выполнен с фланцем, поперечный индуктивный элемент располо- жен в конце короткозамкнутой линии перпендикулярно ее оси и соединяет электрически и механически ее центральный и внешний проводники, обра7 13560 эуя с частью короткозамкнутой линии выше фланца индуктивную ступень делителя, трансформаторная ступень включена перед индуктивной, ее сердечник размещен HR цилиндрическом 5 стержне под фланцем, а вторичная обмотка образована частью короткозамкнутой линии ниже фланца.

2. Делитель по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что поперечный индук-1р тивный элемент выполнен в виде радиально расположенных проводников.

3.. Делитель по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что поперечный индуктивный элемент выполнен в виде тонко-15

15 8

ro сплошного кольца с толщиной меньшей, чем глубина скин-слоя в нем.

4. Делитель по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью увеличе"., ния коэффициента деления, часть центрального проводника коаксиальной линии выполнена в виде цилиндрической катушки индуктивности с сердечником.

5. Делитель по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью увеличения коэффициента деления, воздушный зазор между проводниками коаксиальной линии заполнен ферромагнитным материалом.

Дие. 1

13560! 5

7

Фиг б

Составитель А.Носенков

Редактор А.Лежнина Техред И.Попович Корректор С.111екмар

Заказ 5797/44 Тираж 697 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул. Проектная, 4