Что мы знаем об импульсном трансформаторе?

Задача, «поставленная» импульсному трансформатору, заключается в обеспечении передачи импульсных сигналов с минимальными искажениями на выходе по сравнению с поданной на входе исходной формой.

Импульсный трансформатор (ИТ) – неотъемлемая часть импульсных блоков питания, которые используются практически во всех радиоэлектронных устройствах, нас окружающих.

Телевизоры и компьютерные мониторы, цифровые и аналого-цифровые устройства не могут обойтись без импульсных конструкций. В основном ИТ работают с электрическими импульсами прямоугольной формы.

Импульсный характер электрических сигналов

Импульсом называется резкий скачок силы тока I и напряжения U в ограниченном временном промежутке. Одиночный импульс относится к категории кратковременных сигналов электрических.

Рассмотрим простейшую схему создания импульса с прямоугольной формой (рис. 1). На схеме обозначены следующие позиции:

• Gb – источник тока типа гальванической батареи;
• R – условная нагрузка (лампочка);
• S – выключатель для коммутирования собранной цепи.

Рис. 1

Импульсная форма электрического сигнала формируется при срабатывании S на режимы включения и выключения подачи питания на условную нагрузку.

На рис. 2 показан временной график тока (и напряжения), разбитый на отрезки-интервалы:

1. На отрезке 1-2 ток отсутствует, тумблер S в выключенном положении;
2. При включении тумблера S резко нарастает значение тока (отрезок 2-3, называемый фронтом сигнала или передним фронтом);
3. При включенном положении тумблера S отрезок 3-4 (вершина импульсного сигнала) отражает стабильный характер тока, в этом интервале времени ток обладает постоянной величиной, то есть является током постоянного характера;
4. При выключении S-коммутатора сила тока резко снижается(отрезок 4-5, получивший название среза или спада сигнала, также именуемый задним фронтом);
5. На участке 5-6 при выключенном S-коммутаторе тока нет, сигнал отсутствует.

Рис. 2

Для электроимпульса характерны следующие параметры:

1. Амплитуда сигнала по току и напряжению I (U);
2. Длительность сигнала t;
3. Форма сигнала.

При формировании серии импульсов периодического характера к указанным параметрам добавляются следующие показатели:

1. Период повторения Т, характеризующий длительность интервала;
2. Частоту повторения f, величина которой связана с периодом простой формулой f=1/Т.

На рис. 3 приведен временной график прямоугольного периодического сигнала.

Рис. 3

Наряду с прямоугольной в практике используются и другие стандартные формы электрических импульсов, зависящие от принципа работы генерирующего устройства. К важнейшим из них относятся:

1. Переменный синусоидальный ток, используемый в бытовых и промышленных энергосистемах;
   Рис. 4
2. Пилообразный сигнал, нашедший свое место в генераторах разверток с применением электровакуумных трубок (по-простому – в кинескопах телевизоров или осциллографов).
   Рис. 5

Процессы трансформации импульсов в ИТ

Принцип действия импульсного преобразователя напряжения полностью идентичен работе любого другого трансформатора, то есть к обмотке первичной катушки индуктивности подается входное напряжение U_вх , которое в полном соответствии с законом электромагнитной индукции преобразовывается на обмотке вторичной катушки в напряжение выхода U_вых с измененными параметрами.

Коэффициент трансформации напряжения определяется соотношением витков намотки импульсного трансформатора для каждой катушки.

Однако в отличие от обычных трансформаторов, работающих с синусоидальными гармониками стандартной частоты 50 Гц, на вход ИТ подаются импульсы длительность несколько десятков мкс, что соответствует частотам в пределах десятков кГц!

Обычно это электромагнитные сигналы после выпрямления переменного сетевого тока по полумостовым, мостовым или другим схемам, используемым в электронных преобразователях напряжения.

Приведенная ниже схема, например, широко распространена для преобразования импульсного питания в галогенных лампах.

Особенности конструкции ИТ

Сердечники импульсных преобразователей имеют тороидальную или Ш-образную форму. При выполнении намотки импульсного трансформатора своими руками мастера предпочитают кольцевую (тороидальную) конфигурацию магнитопровода, поскольку для него не нужно специально готовить каркас и приспособление под намотку.

Для изготовления сердечников используются материалы с повышенной магнитной проницаемостью типа:

1. Ферритов;
2. Трансформаторной кремнистой стали;
3. Пермаллоя.

Ферритовые кольцевые сердечники широко распространены, дешевы и доступны. Обозначение изделия выполняется по типу К Dxdxh, где:

• К – сокращение от слова «кольцо»;
• D, d и h – соответственно, размеры внешнего и внутреннего диаметров кольца, высоты кольца.

Размеры обозначают в мм, например, К 28×16х9.

На ферритовом основании наматываются первичная и вторичная обмотки. Ключевой особенностью конструкции является намотка первичной обмотки против часовой стрелки, вторичной – только по часовой.

Ферритовый кольцевой сердечник

При изменении направления намоток мощность устройства значительно уменьшается. Обмотки наматываются с обеих сторон кольца, на внутренней стороне – с малым числом витков, на внешней – с большим количеством витков.

Для снижения индуктивности рассеивания считают необходимым наматывать двуслойно одну обмотку, а между ее слоями помещать другую обмотку.

Иногда обмотки мотают двумя проводами одновременно, тогда провода витков одной обмотки располагаются между проводами витков другой.

После сборки ИТ, его проверяют. Методик, как проверить собранный собственноручно или приобретенный импульсный трансформатор, предостаточно.

Импульсный трансформатор

Для проверки собирают схемы с использованием частотных генераторов, осциллографов, мультиметров и других приборов, которые не только подтверждают работоспособность ИТ, но и выполняют его тестирование в различных частотных диапазонах.

В импульсном трансформаторе не допускается разомкнутое состояние вторичной обмотки, такой режим относится к категории небезопасных режимов.