Широкополосный трансформатор

 

Изобретение относится к радиотехнике , а именно к устройствам широкополосной трансформации высокочастотных сигналов , и может быть использовано в антенной, радиоприемной, радиопередающей и измерительной технике. Цель - расширение полосы рабочих частот при ограничении числа витков первичной и вторичной обмоток, достигаемого за счет получения дробных значений числа витков в обмотках. Трансформатор содержит сердечник 1 из магнитного материала в виде пакета из пар совмещенных боковыми поверхностями тороидальных сердечников, собранных через прокладки 2, первичную 4 и вторичную 5 основные обмотки, намотанные через внутренние отверстия пакета, k первичных 6 и &2 вторичных 7 дополнительных обмоток , причем на каждой паре тороидальных сердечников через их внутренние отверстия намотана одна первичная и одна вторичная дополнительные обмотки, торцовые части которых проходят по канавкам прокладок. Первичная основная обмотка соединена согласно или встречно с соединенными параллельно w первичными дополнительными обмотками, а вторичная основная обмотка соединена согласно или встречно с соединенными параллельно w2 вторичными дополнительными обмотками. Ограничение числа витков первичной и вторичной обмоток , достигаемое за счет получения дробных коэффициентов трансформации, позволяет существенно расширить полосу рабочих частот. 2 ил. S 7 4 I (Л О5 СП Јь 00 00 0

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU ÄÄ 1654886 (51)5 Н 01 Г 19 06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И ABTOPCHGMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

Г1РИ ГКНТ СССР (21) 4626749/07 (22) 27.12.88 (46) 07.06.91. Бюл. № 21 (71) Радиоастрономический институт АН

УССР (72) А. В. Антонов, (О. М. Герасимов и Л. Б. Нестерова (53) 621.314.235 (088.8) (56) Лондон С. Е., Томашевич С. В.

Справочник по высокочастотным трансформаторным устройствам. — М., Радио и связь, 1984, с. 144.

Несвижский 1О. Б. ВЧ ферриты в радиопередающей технике. — М.: Связь, 1976, с. 12. (54) ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР (57) Изобретение относится к радиотехнике, а именно к устройствам широкополосной трансформации высокочастотных сигналов, и может быть использовано в антенной, радиоприемной, радиопередающей и измерительной технике. Цель — расширение полосы рабочих частот при ограничении числа витков первичной и вторичной обмоток, достигаемого за счет получения дробных значений числа витков в обмотках. Трансформатор содержит сердечник l из магнитного материала в виде пакета из пар совмещенных боковыми поверхностями тороидальных сердечников, собранных через прокладки 2, первичную 4 и вторичную 5 основные обмотки, намотанные через внутренние отверстия пакета, k> первичных 6 и А2 вторичных 7 дополнительных обмоток, причем на каждой паре тороидальных сердечников через их внутренние отверстия намотана одна первичная и одна вторичная дополнительные обмотки, торцовые части которых проходят по канавкам прокладок. Первичная основная обмотка ссединена согласно или встречно с соединенными параллельно ч первичными дополнительными обмотками. а вторичная основная обмотка соединена согласно или встречно с соединенными параллельно ы вторичными дополнительными обмотками. Ограничение числа витков первичной и вторичной обмоток, достигаемое за счет получения дробных коэффициентов трансформации, позволяет существенно расширить полосу рабочих частот. 2 ил, 1654886

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к устройствам широкополосной трансформации высокочастотных сигналов на основе трансформаторов с магнитопроводом, к которым предъявляются повышенные требования к точности выполнения требуемого коэффициента трансформации и его реализации в широкой полосе рабочих частот, и может быть использовано в антенной, радиоприемной, радиопередающей и измерительной технике.

Целью изобретения является расширение полосы рабочих частот путем ограничения числа витков первичной и вторичной обмоток, достигаемого за счет получения дробных значений числа витков в обмотках, определяемых в ссютветствии с выражением

pvi -tk i/m для первичной обмотки и av20

+k2/т для вторичной обмотки.

На фиг. 1 и 2 приведена конструкция предложенного широкополосного трансформатора.

Устройство содержит сердечник 1 из магнитного материала в виде пакета из m пар совмещенных боковыми поверхностями тороидальных сердечников, собранных через прокладки 2, имеющие отверстия, совмещенные с внутренними отверстиями пакета, и канавки 3 по обеим сторонам прокладок по линии, проходящей через центры их отверстий, Через внутренние отверстия пакета намотано ave витков первичной основНоН о6МоТКН 4 H tv2 ВНТКоВ вторичноЙ ос-. новной обмотки 5. На каждой паре тороидальных сердечников через их внутренние отверстия намотано k> витков первичной дополнительной обмотки 6 и k2 витков вторичной дополнительной обмотки 7. При этом первичная основная обмотка 4 соединена согласно или встречно с соединенными параллельно m первичными дополнительными обмотками 6, а вторичная основная обмотка 5 соединена согласно или встречно с соединенными параллельно m вторичными дополнительными обмотками 7.

Широкополосный трансформатор работает следующим образом.

При подключении к первичной обмотке трансформатора с коэффициентом трансформации п генератора ЭДС с внутренним сопротивлением R, а к вторичной обмотке— сопротивления нагрузки R — — n Rr на входе первичной обмотки появится ток I, а на выходе вторичной обмотки — ток 12. С учетом последовательного соединения основной 4 и

m параллельно соединенных дополнительных первичных обмоток 6 через основную первич ную обмотку 4 будет протекать ток Ii, а через каждую дополнительную первичную обмотку 6 — ток I /m. Аналогично через вторичную основную обмотку 5 будет протекать ток 12, а через каждую дополнительную вторичную обмотку 7 — ток 12/m.

Ток I, протекая через ы витков первичной основной обмотки 4, создает в сердечнике 1 магнитный поток

Ф осп =p ppl(pv1

de (1)

ОР где S, — сечение магнитопровода сердечника

1, охватываемого основной обмот5 кой 4;

1„— средняя длина магнитной линии в тороидальном сердечнике;

p, — относительная магнитная проницаемость сердечника; ц0 — абсолютная магнитная проницаемость.

Ток1 /m, протекая через ki витков в каждой из дополнительных первичных обмоток

6, создает в охватываемой ею паре тороидальных сердечников магнитный поток

Ф,доп = pp,p — — k — - —, (2)

Я Зп д где S, — сечение магнитопровода пары тороидальных сердечников.

Учитывая, что сечение сердечника 1 определяется набором т пар тороидальных сердечников, т. е. S,=S,/m, перепишем (2) в виде

3 Sc

Ф поп= .1(10 — — 2 k) (3)

Сс>0

Общий магнитный поток Х Ф сердечника 1, создаваемый током Ii в первичной обмотке, равен

Х Ф;=Ф осп -1щФ доп (4) 25

30 где знак «+» соответствует согласному включению основной и параллельно соединенных дополнительных первичных обмоток, а знак « — » — встречному их включению.

Учитывая (1), (3) и (4), имеем

З5

ХФ l=ppplI (ы + ). (5) бр

Аналогично ток 12, протекая через п2 витков вторичной основной обмотки 5, создает в охватываемом ею сечении S, маг40 нитопровода сердечника 1 магнитный поток

S, + 2""= Р 012Ы вЂ” (6)

1ср

Х Ф 2= Ф 2-. +- т Ф 2îï, (8) где знак «+» соответствует согласному включению основной 5 и параллельно соединенных дополнительных вторичных обмоПротекая через каждую вторичную дополнительную обмотку 7 с числом витков k2, 45 ток 12/т создает в охватываемом им сечении S„=S,/т пары тороидальных сердечников магнитный поток

Ф 2доп=ppp k2 1cp=ppp tk2 . (7)

2 С. Х 3с

/,о

Общий магнитный поток Х Ф2, создаваемый в сердечнике 1 током 12 во вторичной обмотке трансформатора, равен алгебраической сумме потоков, создаваемых основной вторичной и m дополнительными обмотка55 ми

1654886 О = Ы 2 —

Э2, (18) 10

20 и с учетом (12) равен

1, @2

Q) Ф Й (14) 0< а1.

4 2 (15) 55 ток, а знак « — » — их встречному, включению.

Подставляя в (8) соотношения (6) и (7), получим:

Z Ф 2=И 06 (2 2+ ). (9)

S E гсР

Основным условием работы трансформаторов является баланс магнитных потоков первичной и вторичной обмоток

ХФ 1=ХФ 2. (10)

С учетом (5) и (9) соотношению (10) соответствует равенство

И 0 (и1 : ) — И"О (ы21 ) ° (11) с А 2 с ) д р т — и .

Упрощая (11), получим

:1= ) =4 (ы2 - — ) . (12) Коэффициент трансформации трансформатора и определяется отношением входных токов первичной и вторичной обмоток

И=

Уг (13) Числитель в выражении для коэффициента трансформации (14) определяет эквивалентное число витков вторичной обмотки, а знаменатель — эквивалентное число витков первичной обмотки. Прн этом целая часть числа витков первичной и вторичной обмоток для случая согласного включения параллельно соединенных дополнительных обмоток соответственно равна ы и ы2, а для случая встречного включения параллельно соединенных дополнительных обмоток равна

nu — 1 и av2 — 1 (при условии, что ki<0 и 12 0) . Значения — и — определяют

Ф, 1 дробную часть витка соответственно первичной и вторичной обмоток.

С точки зрения технологичности выполнения обмоток трансформатора достаточно, чтобы дробная часть витка была меньше единицы, т. е.

При этом 1,2(m. (16)

Из формулы для коэффициента трансформации (14) следует, что введение в трансформатор т дополнительных первичных и вторичных обмоток приводит к увеличению в у раз по сравнению с прототипом числа реализуемых значений коэффициента транс30

6 формации для каждой пары ы я и 2. Не сложно показать, что у= (2m — 1)2 — (2т — 1)+1=2т(2т — 3)+3. (17)

Таким образом, коэффициент трансформации предлагаемого широкополосного трансформатора определяется отношением эквивалентного количества витков вторичной обмотки к эквивалентному количеству витков первичной обмотки 2 э — — 01 „ . (19) К целочисленному значению числа витков и и ы2 основных первичной и вторичной

1, обмоток добавляется дробная часть — или — 2 изменяемая с дискретом —. При этом экви./ валентное число витков первичной и вторичной обмоток изменяется в пределах вь2 — 1(в i,2(э1.2+1. (20)

Эквивалентное значение числа витков, сое диненных параллельно т дополнительных первичных либо вторичных обмоток, равное —".-, не должно превышать 1, поскольку 1 2 технологически проще изменить ыэ12 на единицу путем изменения на единицу ы1 2, чем увеличить количество витков дополнительных обмоток ki 2 более чем на (т — 1).

Таким образом, количество витков дополнительных обмоток k 2 выбирается в пределах от 0 до (m — 1). Например, при т=2 и 2 выбирается равным 0 либо 1, при т=3

k12 выбирается равным О, 1, 2 и т. д.

Поскольку m параллельно соединенных первичных либо вторичных дополнительных обмоток изменяют эквивалентное число витков первичной либо вторичной обмоток менее чем на единицу, и оно остается достаточно близким к числу витков основных первичной и вторичной обмоток, то и эквивалентная длина этих обмоток с введением дополнительных обмоток изменяется мало.

Поэтому введение т параллельно соединенных дополнительных обмоток не приводит к заметным изменениям индуктивности рассеяния и межвитковых емкостных связей, определяющих широкополосность трансформатора.

В то же время введение m дополнительных первичных и вторичных обмоток с целым числом витков 112, принимающим значения от 0 до (т — 1), согласно (14) позволяет вместо одного значения коэффициента трансформации л= — " получить их в

М(7 раз больше. Например, выполнение сердечника трансформатора в виде пакета из

1654886

Формула изобретения двух пар тороидальных сердечников (т=2) увеличивает количество возможных значений коэффициента трансформации в 7 раз.

В этом случае количество витков дополнительных первичной и вторичной обмоток

А 2 можно взять равным 0 либо 1 и получить при согласном либо встречном включении в соответствии с (14) следующие семь коэффициентов трансформации: и ОД и,— О 5 è we +0,5 ш,— 0,5 и,— 0,5 q wi о, w2 — 0,5 а

w<+0,5 wi+0,5

При наборе пакета сердечника из 3-х пар тороидальных сердечников (т=3) дискрет изменения дробной части числа витков первичной и вторичной обмоток равен — 0,333, а реализуемое число значений коэффициента трансформации равно 21.

При т=4 имеем — 0,25 и у=43.

Таким образом, увеличение числа т дополнительных первичных и вторичных обмоток мало изменяет эквивалентное число витков первичной и вторичной обмоток, но резко увеличивает число реализуемых коэффициентов трансформации.

При этом получение таких же коэффициентов трансформации в прототипе, где коэффициент трансформации определяется целочисленным значением числа витков обоих обмоток, потребовало бы значительного увеличения числа витков его первичной и вторичной обмоток. Действительно, числитель и знаменатель формулы (14) приобретают целочисленные значения при умножении их на минимальный множитель, равный m 2 г

w2+- m(w2 + ) т 2 2 + 2 — т — т т,= к, w +- — m(w, + — ) mwi+-ki — m — -т

Из этого выражения видно, что числитель и знаменатель возрастают в а раз, где

bl

Поскольку k12 выбирают в пределах от

0 до m — 1, то увеличение числа витков в трансформаторах с целочисленными обмотками для получения тех же значений коэффициентов трансформации лежит в пределах т ы.,2 т о1,2+- (m — 1 т — 1 от =т до — т+ т 4 2,) 2 2лл/2

J 2

При числе витков w -)m)1 увеличение числа витков целочисленных обмоток близко к величине m.

Следовательно, реализуемые предложенным устройством коэффициенты трансформации могут быть получены в прототипе только при увеличении числа витков его первичной и вторичной обмоток приблизительно в m раз, Это приводит к увеличению индуктивности рассеяния и межвитковой емкости обмоток, что существенно снижает широкополосность прототипа. Таким образом, требуемое количество витков выходит за рамки их ограниченного количества, определяемого широкополосностью трансформатора.

Для экспериментальной проверки приведенных выше выводов были изготовлены два трансформатора с коэффициентами трансформации n=1,364, Оба трансформатора имели одинаковые сердечники из феррита марки М1000 в виде пакета из 2 пар совмещенных боковыми поверхностями тороидальных сердечников с размерами 7)(4Х

)(4 мм, собранных через прокладки. Чтобы обеспечить заданный коэффициент трансформации, трансформатор, изготовленный в соответствии с описанием прототипа, содержал первичную wl и вторичную w2 основные обмотки с числом витков ж,= 15 и w2=11. Обеспечивая тот же коэффициент трансформации, трансформатор, изготовленный в соответствии с формулой изобретения, содержал перви и ую w и вторичную ыг основные обмотки с числом витков

wi=7 и w,= — 5, а также 2 первичные и 2 вторичные дополнительные обмотки соответственно с числом витков k =1 и k2=1 в каждой. Эквивалентное число витков первичной обмотки при этом составляло 7,5, а вторичной — 5,5. При этом на уровне КСВ

1,05 полоса частот трансформатора, изготовленного в соответствии с прототипом, составляла 0,75 — 44 МГц, а полоса частот трансформатора, изготовленного в соответствии с изобретением — 3 — 78 МГц.

Таким образом, предлагаемый широкополосный трансформатор вследствие ограниченного числа витков первичной и вторичной обмоток имеет более широкую полосу рабочих частот при широком наборе реализуемых коэффициентов трансформации, что позволяет решить задачу создания широкого класса сумматоров и разветвителей, с высокой точчостью реализующих заданные коэффициенты деления мощности при сохранении нх широкополосности.

Широкополосный трансформатор, содержащий сердечник из магнитного материала в виде пакета из пар совмещенных боковымн поверхностями тороидальных сердечников, собранных через прокладки, имеющие отверстия, совмещенные с внутренними отверстиями пакета, первичную и вторичную

1654886

10 б 2

Составитель О. Варламов

Редактор А. Шандор Техред A. Кравчук Корректор Н. Ревская

Тираж 355 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям р р ниям и отк ытиям при ГКНТ СССР

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

П о-издательский комбинат «Патент», г. Уж р д, у..

У го о, л. Гагарина, 10) роизводственно-и

9 обмотки, намотанные через внутренние отверстия пакета, отличающийся тем, что, с целью расширения полосы рабочих частот, в него введены первичные и вторичные дополнительные обмотки, по обеим сторонам прокладок по линии, проходящей через центры их отверстий, выполнены канавки, на каждой паре тороидальных сердечников через их внут ренине отверстия намотана одна первичная и одна вторичная дополнительные обмотки, торцовые части которых проходят по канавкам прокладок, через которые концы дополнительных обмоток выведены наружу пакета, первичная основная обмотка соединена согласно нли встречно с соединенны5 ми параллельно первичными дополнительными обмотками, а вторичная основная обмотка соединена согласно или встречно с.соединенными параллельно вторичными дополнительными обмотками.