www.dxsoft.com

\главная\р.л. конструкции\трансиверы\...

Разработка мощных высокочастотных широкополосных трансформаторов. Часть 2.

http://www.semiconductors.philips.com/  ECO7213

Содержание

1        - Общие замечания
2        – Введение
3        - Ограничения в НЧ области трансформаторов промышленного изготовления
4        - Ограничения в ВЧ области трансформаторов промышленного изготовления
5        - Компенсация на ВЧ в трансформаторах промышленного изготовления
6        - Практический пример
7        – Литература

1.     Общие замечания

В первой части руководства (ЕСО6907) были рассмотрены трансформаторы, применяющиеся в передающих линиях. Во второй части внимание будет уделено промышленным конструкциям трансформаторов, как средствам широкополосного согласования, например, в SSB передатчиках. Наибольшей проблемой в этих трансформаторах является индуктивность рассеяния. Рассмотрены некоторые методы РЧ компенсации, приведены примеры расчёта.

2.     Введение

Первая часть – ЕСО6907 [ 1 ] была полностью посвящена расчёту трансформаторов, работающих в линиях передачи. Безусловно, достоинством трансформаторов того или иного типа является максимально возможная его полоса рабочих частот (полоса пропускания), но тут есть и недостатки:

  1. Соотношение трансформации импеданса ограничено (n : m)², где n и m - небольшие целые числа.
  2. Трансформаторы с большим количеством витков и обмоток трудноосуществимы на практике.

Поэтому, если возникнет одна из проблем, упомянутых выше, можно применить подходящие готовые трансформаторы промышленного изготовления.

3.     Ограничения в НЧ области трансформаторов промышленного изготовления

 Эти ограничения такие же, как и для трансформаторов в линиях передачи, в смысле параллельной индуктивности и максимального магнитного потока. Они описаны в вышеупомянутых местах, включая компенсационные методы для параллельных индуктивностей.

4.     Ограничения в ВЧ области трансформаторов промышленного изготовления

Наиболее важная отличительная черта, ограничивающая работу трансформаторов промышленного изготовления на высоких частотах, это – хорошо известная, - индуктивность рассеяния. Эквивалентная схема трансформатора для этого участка частотного диапазона показана на Рис. 1.

Рис. 1

 

Ls – индуктивность рассеяния, а TR – идеальный трансформатор. Простым методом измерения Ls является: измерение реактивного сопротивления между выводами первичной обмотки, когда вторичная замкнута накоротко. Это может быть выполнено, например, с помощью векторного измерителя импеданса. Наиболее точный результат получается, когда измерения осуществляются на высшей рабочей частоте и на высокоомной обмотке.

Очевидно, что величина индуктивности Ls должна быть взята, чем меньшей, тем лучше, чтобы избежать ухудшения работы трансформатора на РЧ. Для этой стороны трансформатора рекомендуются следующие меры:

  1. Витки обмоток должны быть намотаны максимально близко как к сердечнику трансформатора, так и друг к другу.
  2. Витки должны быть распределены равномерно по всей окружности кольца.
  3. Каждая обмотка должна закрывать сердечник, чем больше, тем лучше.

В этом смысле могут быть предприняты некоторые практические шаги:

1. Использование медной фольги для низкоомных обмоток; такие обмотки можно мотать непосредственно на кольце, так как сопротивление кольца достаточно велико. Для лучшего покрытия сердечника, две обмотки могут быть соединены в параллель, таким образом, что одна обмотка намотана внутри другой, изоляция, необходимая в этом случае, может быть очень тонкой.

2. Для высокоомных обмоток может быть использован эмалированный обмоточный провод. Достаточное уменьшение Ls может быть достигнуто параллельным соединением двух или более обмоток (намотка пучком проводов).

5.Компенсация на ВЧ в трансформаторах промышленного изготовления

В [ 2 ] рассмотрены некоторые формы компенсации. Они сравнены в Таблице 1.

Таблица 1

Количество элементов компенсации

0

1

2

Максимальное отношение X/R

0,18

0,44

1,09

 

 

 

 

Таблица 1 базируется на величине КСВ = 1,2 максимум. Величина X/R – реактивное сопротивление паразитной индуктивности рассеяния (отнесённой к первичной обмотке), делённое на номинальное входное сопротивление трансформатора. Одноэлементная компенсация возможна или при присоединении конденсатора параллельно первичной обмотке трансформатора, или при присоединении конденсатора параллельно вторичной его обмотке.

Двухэлементная компенсация выполняется присоединением конденсаторов параллельно как первичной, так и вторичной обмоткам. Такой способ компенсации уже применялся много раз. Небольшое описание будет приведено относительно Рис. 2.

Рис. 2.

 

TR является идеальным трансформатором с коэффициентом трансформации n : 1 (n>1) и с индуктивностью рассеяния Ls (приведённой к первичной обмотке). R1 – номинальное входное сопротивление:

R1 = n² x R2

Сначала мы определим нормализованную индуктивность рассеяния:

где ωmax должна быть равна или быть больше, чем 2π, умноженное на максимальную рабочую частоту.

С помощью Рис. 5 мы находим максимальный КСВ по входу и нормализованную ёмкость коррекции С1n. Тогда С1 и С2 могут быть вычислены:

На практике может возникнуть проблема, когда ёмкость конденсатора, подключенного параллельно низкоомной обмотке, будет иметь настолько большую величину, что приблизится к последовательному резонансу с индуктивностью собственных выводов. В этом случае, лучше, набрать необходимую ёмкость из некоторого числа параллельно включенных конденсаторов.

Практически предел, до которого приемлемо применение вышеупомянутой компенсации, составляет примерно:

Lsn = 1

Если индуктивность рассеяния имеет большую величину, то необходимо применять более сложную систему компенсации. Упомянутая выше система, основана на 3-элементном фильтре нижних частот Чебышева, но схема фильтра может быть расширена до 5 элементов, поскольку для компенсации необходимо 4 элемента. Ситуация приведена на Рис. 3.

Рис.3.

 

Добавлены две катушки L1 и L2. Нормализованные элементы при максимальном КСВ даны на Рис. 6 (этот график и график на Рис. 5 были получены с помощью компьютерной программы, которая основана на формулах расчёта фильтров нижних частот Чебышева [ 3 ]). Из этого графика ясно видно, что Lsn может быть равна 1,77 для S = 1,2. Хорошим практическим пределом является значение Lsn = 1,6.

Процедура расчёта элементов компенсации очень похожа на предыдущую. Мы также начинаем с определения нормализованной индуктивности рассеяния Lsn:

С помощью Рис. 6 мы находим максимальное значение S и нормализованные значения для элементов коррекции С1n и L1n. Теперь могут быть рассчитаны и значения С1 и L1:

Элементы коррекции на вторичной обмотке:

Индуктивность катушки L2 на практике получается такой небольшой, что печатная дорожка на плате вполне может эту катушку заменить.

6.Практический пример

Для низковольтного (питаемого относительно небольшим напряжением) усилителя мощности SSB передатчика необходим трансформатор, обладающий следующими параметрами:

- Диапазон частот: 1,6…28 МГц.
- Максимальная (выносимая трансформатором) мощность: 52 Вт.
- Импеданс нагрузки: 100 Ом.
- Входной импеданс 4,6 Ом.

Наиболее подходящим материалом для сердечника трансформатора для этого диапазона частот является (Ferroxcube) 4C6. Из-за необходимой мощности выбираем сердечник размерами 23 х 14 х 7 мм, номер по каталогу: 4322 020 91070. Реактивное сопротивление, включенное параллельно и измеренное во вторичной цепи на частоте 1,6 МГц, должно составлять +j400 Ом [ 1 ], соответственно, для индуктивности в 40 мкГн. При этом, необходимое количество витков:

где A/I = 0,5525 мм для этого сердечника и µr = 120 для материала сердечника 4С6, отсюда nsec = 21,9 витка.

Логично выбрать количество витков равным 22. Отношение трансформации напряжений:

из которого – количество витков первичной обмотки: 22 / 4,66 = 4,7 витка. Выбираем npr = 5. Необходимое отношение трансформации (коэффициент трансформации) можно сохранить ещё более точным, если изменить количество витков вторичной обмотки с 22 на 23. Теперь параллельная индуктивность во вторичной цепи составит 44 мкГн, а отношение трансформации импеданса: (23 / 5)² = 21,1, при котором входной импеданс составит 4,74, что, примерно, на 3% выше требуемого значения.

Компенсация параллельной индуктивности по низким частотам может быть выполнена с помощью единственного конденсатора, включенного последовательно в цепь вторичной обмотки [ 1 ].

Выбираем стандартное значение 4700 пФ.

Максимальное напряжение на вторичной обмотке составляет:

Теперь может быть рассчитана и максимальная плотность магнитного потока:

где А = 31,5 мм² для этого сердечника, так что:

на частоте 1,6 МГц. Это даёт потери в сердечнике примерно 1%, или 0,5 Вт.

Чтобы уменьшить индуктивность рассеяния, трансформатор наматывается следующим образом:

- Первичная обмотка состоит из двух обмоток соединённых параллельно, состоящих из 5 витков медной фольги шириной 4 мм. Каждая из обмоток одинаково и равномерно распределена по всей окружности кольца; витки одной обмотки расположены между витками второй. Между обмотками проложен слой тонкой изоляции.
- Вторичная обмотка состоит из двух параллельно соединённых обмоток, имеющих по 23 витка эмалированного обмоточного провода диаметром 0,45 мм. Способ намотки - такой же, как для первичной обмотки.

Значение индуктивности рассеяния, измеренное на вторичной обмотке, составило 0,67 мкГн. Чтобы сделать коррекцию менее критичной (к изменению частоты), выбираем максимальную частоту 35 МГц, вместо 28 МГц. Нормализованная (типичная) величина индуктивности рассеяния тогда составит:

Из Рис. 5 находим:

Smax = 1,064
С1n = 1,24
L1n = 0,66

В этом случае, индекс 1 относится ко вторичной обмотке, индекс 2 – к первичной. Элементы компенсации:

С2 = 21,1 х 56,4 = 1190 пФ
L2 = 0,3 / 21,1 = 0,0142 мкГн

Для С1 выбираем стандартное значение 56 пФ. С2 состоит из параллельно включенных конденсаторов 330 пФ и 3 х 270 пФ, что в сумме даст 1140 пФ; выбрано немного меньшее значение из-за последовательных индуктивностей выводов конденсаторов. L2 сформирована за счёт индуктивности печатной фольговой дорожки платы.

Первые измерения на компенсированном трансформаторе дали высокий КСВ на частоте 28 МГц, вместе с ёмкостным характером реактивного сопротивления, из-за чего можно прийти к выводу, что трансформатор перекомпенсирован. Это возможно из-за паразитной ёмкости между первичной и вторичной обмотками. Отсюда: уменьшаем значения элементов компенсации на 10…20%. Новые значения:

С1 = 47 пФ
L1 = 0,27 мкГн
С2 = 980 пФ (параллельное соединение 2 х 270 пФ и 2 х 220 пФ)
L2 = 2 х 6 нГн (печатные (подводящие) дорожки на плате).

Полностью сложившиеся условия приведены на Рис. 4. Импеданс нагрузки ZL составлен из параллельного соединения двух резисторов по 15 Ом, одного резистора 12 Ом и конденсатора ёмкостью 120 пФ. Последний подключается для компенсации последовательной индуктивности (выводов) резисторов.

Рис. 4.

 

Результаты измерений сведены в Таблицу 2.

Таблица 2

Частота f, МГц

R1, Ом

Х1, Ом

КСВ (-)

1,6

98

-1,87

1,03

3,5

100,5

-2,1

1,02

7,0

98,3

-5,84

1,06

14,0

89,9

-4,41

1,12

20,0

87,4

+1,24

1,14

28,0

100

+7,18

1,07

 

 

 

 

Из Таблицы 1 можно видеть, что максимальное значение КСВ снизилось до 1,14. Без компенсации на ВЧ это значение было бы примерно равно 3 на 28 МГц.

7. Литература

 

 

23    марта 1998 г

Свободный перевод с английского: Виктор Беседин (UA9LAQ) ua9laq@mail.ru
г. Тюмень декабрь, 2004 г



Глас народа
07.05.2007 21:38 Я хотел бы заметить, что иностранная литература чревата некотор...  --  slavik
07.01.2005 17:29 Кто подскажет формулу перевода Теслы в В.? Если по тесле то нет р...  --  Анатолий

Возврат

арбалет excalibur