Гонченков Максим

PDF версия

В статье описывается принцип работы трансформатора, рассматриваются основные типы трансформаторов и сферы их применения.

Трансформатор представляет собой две или более проводящих линии, соединенные между собой магнитным полем. При появлении в сердечнике переменного магнитного потока, обусловленного изменением тока в первичной обмотке, во вторичной обмотке возникает ЭДС, величина которой напрямую зависит от количества витков в обмотках.
У трансформатора могут иметься дополнительные выводы и обмотки, у которых в общем случае – разные коэффициенты трансформации. Благодаря такой гибкости РЧ-трансформаторы обладают разными характеристиками и широко используются в СВЧ-технике.
Одна из широко применяемых конфигураций трансформатора представляет собой два или более проводов, обмотанных вокруг магнитного сердечника (в приложениях с более высокой частотой используется воздушный сердечник). Одним из наиболее важных параметров трансформаторов является отношение количества витков. Среди приложений, в которых применяются РЧ-трансформаторы, можно выделить:
  • преобразование импеданса для согласования;
  • повышение или понижение напряжения или тока;
  • соединение симметричной и несимметричной схем;
  • большее ослабление синфазного сигнала;
  • обеспечение развязки по постоянному сигналу между схемами;
  • обеспечение постоянного тока в некоторых сегментах схемы.
Существует несколько технологий исполнения трансформаторов, к которым относятся сердечник с обмоткой; трансформаторы на линиях передачи; трансформаторы, изготовленные из низкотемпературной совместно обжигаемой керамики (LTCC), монолитные устройства (MMIC). Все они выпускаются в разных корпусах и с разными характеристиками.

Принцип работы

На рисунке 1 показана модель идеального трансформатора. Порты 1 и 2 являются входами первичной обмотки, порты 3 и 4 – выходами вторичной обмотки.



Рис. 1. Структура идеального трансформатораПо закону Фарадея ток в первичной обмотке создает магнитный поток через сердечник, который наводит пропорциональный ток и напряжение во вторичной обмотке. Напряжение и ток пропорциональны отношению витков в обмотках или магнитной связи между обмотками и сердечником. Следовательно, вторичный импеданс определяется квадратом отношения обмоток, умноженным на импеданс первичной обмотки:


где I1, V1 и Z1 – ток, напряжение и импеданс в первичной обмотке; I2, V2 и Z2 – те же параметры вторичной обмотки; N1 и N2 – количество витков в первичной и вторичной обмотках, соответственно.



Рис. 2. Модель трансформатора с паразитными элементамиВ реальном трансформаторе также имеется несколько паразитных элементов. Оно могут быть и собственными, и взаимными. На рисунке 2 показана модель неидеального трансформатора с сосредоточенными параметрами, а также паразитное сопротивление, индуктивность обмоток, резистивные потери в сердечнике и активная индуктивность намоток. Из-за паразитных связей полоса пропускания трансформатора сокращается, возрастают вносимые потери (см. рис. 3). Характеристики трансформатора также зависят от частоты, температуры и мощности. Нижняя частота среза определяется активной индуктивностью намотки, верхняя – емкостью намотки и емкостной связью между намотками.



Рис. 3. Теоретический частотный отклик трансформатора (а), результаты измерения (б)Вносимые потери в рабочей полосе складываются из омических потерь в первичной, вторичной намотках и энергии, рассеянной в сердечнике. Поскольку омические потери зависят от частоты и температуры, они ограничивают показатели работы трансформатора. В некоторых трансформаторах присутствует также индуктивность рассеяния, обусловленная неполной связью между обмотками. Поскольку реальная часть этой индуктивности пропорциональна частоте, эти паразитные элементы приводят к возникновению обратных потерь на высоких частотах и увеличению вносимых потерь в нижней границе диапазона.
Более сложные трансформаторы, например с несколькими намотками, дополнительными выводами и элементами, могут обладать динамическими характеристиками. Например, согласующий трансформатор служит для соединения симметричной (с дифференциальным сигналом) и несимметричной схемы. Он обеспечивает согласование импедансов.
В то же время трансформаторы применяются для соединения двух несимметричных схем. С этой целью заземляется один конец первичной обмотки. Несимметричные сигналы, поступающие в первичную несимметричную обмотку, вызывают дифференциальный выходной сигнал во вторичной обмотке.
При использовании магнитного сердечника, обычно ферромагнитного, появляется еще несколько паразитных элементов: индуктивность намагничивания сердечника ограничивает нижнюю частоту работы трансформатора и приводит к увеличению обратных потерь. Она зависит от магнитной проницаемости, поперечного сечения сердечника и количества обмоток. Магнитная проницаемость сердечника зависит от температуры. Если зависимость прямая, вносимые потери на низких частотах увеличиваются.

Виды трансформаторов

Двумя основными типами трансформаторов на дискретных компонентах являются трансформаторы, выполненные в виде сердечника с обмоткой или на линиях передачи. Кроме того, широко применяются компактные трансформаторы LTCC и MMIC.
Трансформаторы с сердечником и обмоткой изготавливаются путем наматывания проводника, как правило, медного провода с изоляцией, вокруг магнитного сердечника (тороида).
Вторичных обмоток может быть несколько. Иногда также имеется вывод средней точки для дополнительных функций. На рисунке 4 показан трансформатор с тороидальным магнитным сердечником и медной обмоткой с изоляцией. Благодаря природе индуктивных связей между обмоткой и сердечником трансформаторы меньшего размера работают быстрее. Например, путем подбора длины линии передачи обеспечивается согласование импедансов между двумя несогласованными нагрузками.



Рис. 4. Внешний вид трансформатора с проволочной обмоткой, намотанной на магнитный сердечникНекоторые трансформаторы в линиях передачи представляют собой проводник с изоляцией, намотанный на ферритный сердечник. Они относятся к типу трансформаторов с обмоткой.
Трансформатор в линии передачи состоит из линии передачи с двумя проводниками. Первый подключен к генератору и нагрузке, второй – к выходу первой линии и земле (см. рис. 5). Протекающий через нагрузку ток в два раза превышает ток через генератор; напряжение V0 равно половине V1.



Рис. 5. Функциональная схема идеального трансформатора на линии передачиКогда сопротивление нагрузки равно четверти сопротивления, видимого со стороны генератора, коэффициент преобразования равен 1:4:



Наиболее распространенной формой трансформатора на линиях передачи является четвертьволновой. В этой топологии характеристическое сопротивление обеспечивает согласование входного импеданса и импеданса нагрузки. Длина четвертьволнового трансформатора определяется рабочей частотой, а полоса пропускания ограничена октавой вокруг центральной частоты. На рисунке 6 показана линия передач без потерь с характеристическим импедансом Z0 и длиной L.



Рис. 6. Трансформатор на четвертьволновой линии передачиЭта линия находится между входным импедансом ZIN и импедансом нагрузки ZL. Характеристический импеданс четвертьволновой линии передачи Z0, обеспечивающий согласование ZIN и ZL, рассчитывается следующим образом:



Одним из преимуществ трансформаторов на линиях передачи является широкая полоса частот по сравнению с трансформаторами с сердечником и проволочной обмоткой. Это преимущество обеспечивается за счет меньшей паразитной емкости между витками и меньшей индуктивностью рас­сеяния.


...

Прочитать в оригинале…