Трансформаторы
Трансформатор-это пассивное электромагнитное устройство, пассивный электронный и электротехнический компонент. Трансформатор обладает уникальным набором полезных свойств, что обусловливает его широкое применение в электротехнике и радиоэлектронике.
Трансформатор осуществляет гальваническую развязку между первичной и вторичной цепью и при этом в отличие от других устройств передаёт электрическую энергию с малыми потерями, то есть с высоким коэффициентом полезного действия. При этом в зависимости от назначения и конструкции трансформатора величина передаваемой мощности может лежать в пределах от мкВт до МВт. Поэтому трансформаторы широко используются как в сигнальных так и в силовых цепях.
Трансформаторы могут работать как при очень маленьких напряжениях на первичной обмотке (единицы мВ для микрофонных трансформаторов и т.п.) так и при очень больших напряжениях в единицы и десятки киловольт в силовых трансформаторах.
Трансформаторы позволяют получить практически любое требуемое напряжение на вторичной обмотке (при определённых ограничениях).
Трансформаторы в сигнальных цепях используются, кроме гальванической развязки, для согласования выходного сопротивления источника сигнала с входным сопротивлением приёмника сигнала или сопротивлением нагрузки, а также для согласования несимметричной линии с симметричной и наоборот, могут работать как в узком, так и в широком диапазоне частот, как на низкой частоте от единиц Гц, так и на высокой частоте до единиц ГГц.
Трансформаторы тока работают от источника тока и преобразуют этот ток в ток нужной величины или в напряжение на определенном сопротивлении нагрузки. Трансформаторы тока как правило преобразуют большую величину тока источника в небольшую величину. Трансформаторы тока применяются для измерительных целей а также как датчики тока в устройствах защиты и автоматики. Они могут применяться как на низкой частоте, так и на частотах до сотен кГц.
Трансформаторы могут классифицироваться разными способами, например:
По функциональному назначению:
По передаваемой мощности (разделение достаточно условно):
В свою очередь каждая группа трансформаторов может также подразделяться в зависимости от применения, назначения, технических параметров, вида сигналов и других признаков.
Например, трансформаторы питания могут быть сетевые, подключаемые непосредственно к питающей сети и работающие непосредственно на её частоте 50/60 или 400 Гц, а могут быть импульсные, работающие в составе импульсных источников питания на частотах десятки-сотни кГц.
Сигнальные трансформаторы могут подразделяться или по виду сигналов, или по назначению и применению.
Николай Ковалев
В аппаратуре и системах связи, передачи данных, в усилительной, радиоприемной и радиопередающей технике часто возникает необходимость согласования источника сигнала и нагрузки. При этом желательно передать сигнал с минимальными потерями мощности, частотными и нелинейными искажениями, с минимальными отражениями. Наиболее удобным и универсальным способом решения этой задачи, максимально удовлетворяющим предъявляемым требованиям, является применение широкополосных трансформаторов. Рассмотрим некоторые, наиболее типичные, случаи их применения и задачи, которые решаются с помощью широкополосных трансформаторов.
Широкополосные трансформаторы, в отличие от изделий, работающих на фиксированной частоте с относительно небольшими отклонениями, например, в пределах ±20%, работают в широком диапазоне частот – от одной до нескольких (и даже многих) октав. Они могут выполнять следующие функции:
по выполняемой функции:
Широкополосные трансформаторы могут быть маломощными, предназначенными для передачи сигналов небольших уровней (сигнальные трансформаторы). Они могут быть и мощными, используемыми для передачи относительно больших уровней мощности (например, выходные трансформаторы усилителей мощности звуковой частоты, выходных каскадов мощных широкодиапазонных радиопередатчиков, ультразвуковых генераторов).
Трансформаторы могут работать как без подмагничивания, так и с подмагничиванием постоянной составляющей тока. В первом случае трансформатор выполнить проще, его магнитопровод не имеет немагнитного зазора, легче получить заданные параметры. Постоянная составляющая тока появляется либо из-за наличия ее в поступающем на первичную обмотку сигнале, либо в случае передачи через обмотки трансформатора тока дистанционного питания. Ток дистанционного питания (ДП) может подаваться несколькими способами. Если ток ДП подается в среднюю точку обмотки (рис. 1 для двухпроводной линии и рис. 2 для четырехпроводной линии), то он не создает поля, подмагничивающего сердечник, так как при симметрии обеих половин обмотки поля от тока ДП взаимно компенсируются. Этот ток лишь нагревает обмотку, что учитывается при выборе диаметра провода. При фантомном подключении ДП в двухпроводную линию (рис. 3) ток ДП, проходя по обеим половинам обмотки, создает магнитные поля, которые складываются, так как по отношению к этому току обе половины обмотки включены согласно. Для предотвращения насыщения сердечника и появления нелинейных искажений он должен быть выполнен с немагнитным зазором.
Рассмотрим влияние параметров трансформатора на его работу.
Эквивалентная схема трансформатора с подключенным источником сигнала и нагрузкой приведена на рис. 4. Здесь:
Rг — внутреннее (выходное) сопротивление источника сигнала (генератора);
R1 — активное сопротивление первичной обмотки;
Rп — сопротивление, эквивалентное потерям в магнитопроводе;
R2/=R2/n2 — приведенное к первичной обмотке активное сопротивление вторичной обмотки, где n=W2/W1 — коэффициент трансформации;
Rн/=Rн/n2 — приведенное сопротивление нагрузки;
С1 — собственная емкость первичной обмотки;
C2/=n2C2 — приведенная собственная емкость вторичной обмотки;
C3 — межобмоточная емкость;
Cн/=n2 C — приведенная емкость нагрузки;
L1 — индуктивность первичной обмотки (индуктивность намагничивания);
Ls1 — индуктивность рассеяния первичной обмотки;
Ls2/=Ls2/n2 — приведенная индуктивность рассеяния вторичной обмотки. Единственным принципиально необходимым элементом схемы, кроме генератора с его внутренним сопротивлением и нагрузкой с ее параметрами, является индуктивность намагничивания трансформатора, все остальные его параметры (элементы эквивалентной схемы) являются паразитными.
Идеальный трансформатор, в котором индуктивность намагничивания L1 и сопротивление потерь Rп равны бесконечности, а сопротивления и индуктивности рассеяния обмоток, а также их собственные емкости и межобмоточная емкость равны нулю, передает сигнал от источника в нагрузку без потерь мощности и без искажений в частотном диапазоне, охватывающем весь спектр сигнала. Для максимальной передачи мощности сигнала в нагрузку и для исключения отражений идеальный трансформатор должен иметь такой коэффициент трансформации, чтобы выполнялось условие:
Rн/=Rг
откуда можно рассчитать коэффициент трансформации:
Реальный трансформатор не обеспечивает идеальной передачи сигнала из-за неизбежного наличия потерь и паразитных параметров. Для максимального приближения к идеалу необходимо стремиться к их минимизации, однако в разумных пределах, чтобы не увеличивать стоимость и габариты изделий. Кроме того, необходимо учитывать, что улучшение одних характеристик может привести к ухудшению других. Поэтому трансформатор, разработанный для конкретных технических требований, является компромиссным решением, оптимальным для данного применения.
Потери в магнитопроводе складываются из потерь на гистерезис, потерь на вихревые токи и дополнительных потерь. Снижение потерь на гистерезис достигается выбором материала магнитопровода с узкой петлей гистерезиса. Снижение потерь на вихревые токи достигается выбором материала с высоким сопротивлением или тонколистового материала. В широкополосных трансформаторах широкое применение находят ферриты (особенно высокопроницаемые), тонколистовая электротехническая сталь и аморфные сплавы.
Увеличение индуктивности первичной обмотки (индуктивности намагничивания) улучшает передачу сигнала на нижних частотах диапазона, однако ее невозможно сделать бесконечно большой. Кроме того, при увеличении индуктивности за счет увеличения числа витков возрастает активное сопротивление и собственная емкость обмотки, а также пропорционально растут сопротивления и емкости вторичных обмоток и индуктивности рассеяния. Это снижает резонансные частоты трансформатора и приводит к сужению полосы пропускания в области верхних частот. Поэтому выбор индуктивности намагничивания является компромиссом. Как видно из эквивалентной схемы, индуктивность первичной обмотки образует с выходным сопротивлением источника сигнала частотно-зависимый делитель напряжения, поэтому в зависимости от заданной величины рабочего затухания и рабочего диапазона частот она выбирается из соотношения:
где fн — нижняя частота рабочего диапазона. Отсюда:
Причем значение 10 берется для более низких частот, например, звуковых, а 4 – для более высоких, например, для частот радиодиапазона при Rг=(50…75) Ом.
Допустимые сопротивления обмоток определяются исходя из допустимой величины рабочего затухания на средней частоте рабочего диапазона.
Индуктивности рассеяния, емкости обмоток и межобмоточная емкость влияют на параметры трансформатора на верхней частоте рабочего диапазона частот. При разработке они обычно не рассчитываются, так как точность расчетов невысока, и проще изготовить макет и на нем снять реальные амплитудно- частотные характеристики.
При работе трансформатора в звуковом диапазоне частот с не очень широкой полосой пропускания (около одной декады) специальные меры по снижению индуктивности рассеяния, собственных и межобмоточных емкостей не применяются. Так выполнен широко известный трансформатор ТРС2-1. С расширением рабочего диапазона частот и смещением его в высокочастотную область приходится применять сложные методы намотки, позволяющие уменьшить индуктивности рассеяния и паразитные емкости. При этом трудоемкость изготовления и стоимость трансформатора, естественно, возрастают, но зато получаются требуемые параметры.
При достаточно широкой полосе частот и высоких частотах с успехом могут применяться трансформаторы на длинных линиях с распределенными параметрами. Пример такого согласующего трансформатора с коэффициентом трансформации по напряжению 2:1, а по сопротивлению 4:1, выполненного в двух вариантах — на длинной линии в виде витой пары, намотанной на ферритовое кольцо, и на коаксиальной линии – представлен на рис. 5а и 5б соответственно, а укладка обмотки и соединение выводов показаны (условно) на рис. 5в.
При необходимости расширения диапазона в области высоких частот дополнительно могут применяться цепи частотной компенсации на входе и выходе трансформатора.
Специалисты ООО «БЭК» разрабатывают и внедряют в производство любые широкополосные трансформаторы на самые различные диапазоны частот от звуковых частот до СВЧ.
Исходными данными для разработки широкополосных трансформаторов являются следующие параметры:
диапазон рабочих частот (fн…fв) и затухание на краях диапазона;
выходное сопротивление источника сигнала (или волновое сопротивление линии);
сопротивление нагрузки (или волновое сопротивление линии при работе на линию);
может быть задан коэффициент трансформации;
затухание асимметрии (для симметрирующих трансформаторов);
затухание нелинейности или коэффициент гармоник (при необходимости);
электрическая прочность изоляции;
сопротивление обмоток или рабочее затухание;
индуктивность первичной обмотки или любой из обмоток (при необходимости);
собственные емкости обмоток и межобмоточные емкости.
Таким образом, широкополосные трансформаторы являются почти идеальными (и почти единственными) элементами, позволяющими согласовывать источники сигналов и нагрузки, аппаратуру и соединительные линии; они используются как на входах, так и на выходах, широко применяются в самых различных видах радиоэлектронной аппаратуры.
Литература
Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике: схемы, блоки, 50-омная техника. Пер. с нем. М. «Мир». 1990.
Николай Ковалев
В статье рассматриваются некоторые возможные случаи применения индуктивностей в различных видах радиоэлектронной аппаратуры.
Невозможно себе представить многие виды радиоэлектронной аппаратуры без индуктивных компонентов-дросселей различного назначения и катушек индуктивности. Особенно широко они применяются в источниках вторичного электропитания и в устройствах для телекоммуникаций. Конечно, в некоторых случаях можно заменить индуктивные элементы другими (например, резисторами в качестве нагрузок усилительных каскадов или продольных элементов фильтров питания). Однако ни один другой элемент в отличие от индуктивностей не обладает свойством оказывать сопротивление переменному току, причем тем большее, чем выше частота, обеспечивая при этом минимальное сопротивление постоянному току и, соответственно, минимальные потери энергии. В конце прошлого века существовала тенденция замены индуктивных компонентов другими, более дешевыми и малогабаритными. В ряде случаев эта задача с успехом была решена. Так, фильтры сосредоточенной селекции на LC-контурах удалось заменить электромеханическими фильтрами и фильтрами на ПАВ, стали применяться цифровые методы фильтрации при обработке сигналов. Но даже и в этом применении не потеряли своего значения перестраиваемые катушки индуктивности, особенно если частота настройки нестандартна. Кроме того, в последнее время индуктивности, не предназначенные для накопления энергии или обладающие небольшой энергоемкостью, имеют габариты и массу, сравнимые или такие же, как и другие чип-компоненты – резисторы, конденсаторы и т. д.
Весьма ценным свойством индуктивных элементов, часто используемым в различных преобразователях электрической энергии, является накопление энергии в магнитном поле при прохождении по ним тока. В качестве накопителей энергии они вне конкуренции. Причём если конденсаторы накапливают энергию в электрическом поле и могут хранить её достаточно долго (эта энергия эквивалентна потенциальной энергии механической системы), то индуктивные компоненты накапливают энергию в магнитном поле и эта энергия эквивалентна кинетической энергии механической системы.
Наиболее широко индуктивные компоненты представлены в импульсных источниках питания. В самых простых понижающих DC/DC-конверторах (рис. 1) может использоваться от одного до нескольких дросселей. Принципиально необходимым является дроссель L3, который служит сглаживающим элементом, выделяющим постоянную составляющую из последовательности импульсов. Он накапливает энергию при открытом ключевом транзисторе VT1, а во время паузы через диод VD1 отдает ее в нагрузку. Кроме того, могут дополнительно применяться: один или несколько дросселей во входном однозвенном или многозвенном фильтре (L1 на рис. 1); один или несколько дросселей в выходном однозвенном или многозвенном фильтре (L4 на рис. 1). Эти дроссели работают без накопления энергии и служат для подавления шумов и помех на входе и на выходе. Дополнительно для ограничения «сквозных» токов при включении транзистора VT1, обусловленных конечным временем восстановления обратного сопротивления диода VD1, используется дроссель L2, выполняемый часто как насыщающийся.
В повышающем (рис. 2) и полярноинвертирующем DC/DC-конверторах также принципиально необходим накопительный дроссель L2. Дополнительно могут устанавливаться также дроссели L1 и L3 входных и выходных фильтров. Если к фильтрации входных или выходных помех предъявляются повышенные требования, могут быть применены двух- и многозвенные фильтры, но наиболее часто применяются все-таки одно- и двухзвенные.
В однотактных обратноходовых конверторах с гальванической развязкой (рис. 3) дроссели L1 и L2 не являются принципиально необходимыми, но, как правило, устанавливаются во входных и выходных фильтрах. Как и в предыдущих случаях, фильтры могут быть многозвенными. Функцию накопления энергии здесь выполняет трансформатор, осуществляющий также гальваническую развязку.
Однотактные или двухтактные прямоходовые DC/DC-конверторы (рис. 4а и 4б соответственно) обязательно содержат накопительный дроссель (L2 на рис. 4), а также могут содержать (и, как правило, содержат) дополнительно дроссели входных и выходных фильтров (L1 и L3) для улучшения фильтрации напряжения на входе и выходе.
AC/DC-преобразователи могут содержать дополнительно активный корректор коэффициента мощности (ККМ или PFC в английской транскрипции). Он используется преимущественно в устройствах средней и большой мощности Структура и режим работы ККМ соответствует повышающему DC/DC-конвертору без гальванической развязки (рис. 2). В нем обязательно содержится дроссель-накопитель энергии (L2 на рис. 2). Отличие от повышающего конвертора состоит в том, что импульсы ККМ промодулированы по длительности по синусоидальному закону и на входе действует не постоянное напряжение, а выпрямленное синусоидальное. Дроссель ККМ часто имеет обмотку обратной связи. Входные и выходные дроссели в ККМ обычно не используются, фильтры шумов и помех переносятся на вход и выход AC/DC-преобразователя.
В сетевых фильтрах при питании от сети переменного тока дроссели применяются очень широко. Фильтры бывают как встраиваемые в источник питания или аппаратуру, так и внешние, предназначенные для подключения одного или нескольких устройств. Наиболее широко такие фильтры используются для подключения компьютеров и офисной техники. В таких фильтрах (рис. 5) применяются дроссели двух видов. Для подавления синфазных помех служат так называемые тококомпенсированные дроссели, имеющие две одинаковых обмотки, которые включаются встречно по отношению к току питания низкой частоты (L1 на рис. 5). Благодаря этому сердечник дросселя не подмагничивается. Для подавления дифференциальных помех предназначен дроссель с согласно включенными обмотками (L2 на рис. 5). Этот дроссель подмагничивается током питания низкой частоты. Он может быть заменен одним или двумя однообмоточными дросселями.
Дроссели являются необходимыми элементами усилителей низкой частоты (УНЧ) класса D (рис. 6). Такие УНЧ обладают тем преимуществом, что их выходные транзисторы работают в ключевом режиме, обеспечивая высокий КПД при достаточно хорошем коэффициенте гармоник и вполне приличной выходной мощности – до десятков Вт. Это позволяет обходиться без радиаторов. Дроссель используется в выходном фильтре и является интегрирующим элементом – накопителем энергии. В данном случае никакой другой элемент решить эту задачу не способен. УНЧ класса D могут с успехом применяться в домашних кинотеатрах, автомобильной и переносной радиоаппаратуре, ноутбуках и т. д. Поскольку речь зашла о звукоусилении, то необходимо вспомнить высококачественные многополосные акустические системы, в которых применяются частотно-разделительные фильтры, совершенно невыполнимые без индуктивных компонентов. Для примера на рис.7 приведена схема трехполосной акустической системы. Дроссели для таких фильтров выполняются, как правило, в виде многовитковых катушек без сердечника, чтобы не вносить нелинейных искажений.
Аппаратура телекоммуникаций, а также и функциональная аппаратура другого назначения, в том числе с использованием микропроцессоров и микроконтроллеров, также не обходится без индуктивных компонентов. LC-фильтр на входе питания функциональной платы (рис. 8) является наилучшим решением, так как простейший емкостный фильтр не обеспечивает высокого уровня фильтрации шумов и помех, а на резисторе RC-фильтра возникает слишком заметное падение напряжения, что снижает уровень и точность питающих напряжений (а к этому особенно чувствительны микропроцессорные устройства). Кроме того, с RC-фильтром при изменении режима работы устройства и связанном с этим изменением тока потребления возникает специфическая помеха по питанию из-за изменения падения напряжения на резисторе фильтра. Дроссель же, имея весьма малое активное сопротивление, почти не ухудшает качества питающего напряжения по уровню и стабильности, но оказывает весьма заметное сопротивление для переменной составляющей шумов и помех, образуя совместно с конденсатором фильтр нижних частот второго порядка, работающий значительно эффективнее C или RC-фильтра. Единственным условием является то, что собственная резонансная частота дросселя должна лежать выше рабочего диапазона частот. Фильтр может быть многозвенным. Для исключения нежелательных паразитных резонансов конденсатор фильтра должен состоять из электролитического и керамического конденсаторов. Применение LC-фильтров на вводе питания функциональных плат позволяет развязать платы по питанию между собой, снизить требования к источникам вторичного электропитания по шумам и пульсациям и применить более дешевые источники.
Также успешно дроссели могут использоваться и в цепях развязки по питанию внутри платы, отделяя друг от друга различные каскады и узлы устройства. Особенно эффективно их применение при низковольтном питании 3,3 В и менее, что достаточно часто встречается в современной аппаратуре.
В сигнальных цепях, особенно при работе на длинные соединительные линии, успешно используются тококомпенсированные дроссели (рис. 9), содержащие от двух до четырех и более одинаковых обмоток, включаемых по току сигнала встречно. Они являются почти идеальными подавителями синфазных (симметричных) шумов и помех (до 60-80 дБ), оказывая незначительное сопротивление полезному сигналу.
При дистанционном питании удаленных частей аппаратуры при помощи дросселей совместно с газовыми разрядниками и другими защитными элементами обеспечивается защита от воздействия грозы. Тококомпенсированные дроссели, установленные в сигнальных цепях, также помогают решать эту задачу.
Следует также упомянуть дроссели, используемые в качестве индуктивной нагрузки (или части нагрузки) усилительных каскадов, особенно широкополосных и видео усилителей. Здесь дроссели, почти не снижая напряжения питания, обеспечивают необходимое сопротивление нагрузки по переменному току, а также частотную компенсацию на верхних частотах диапазона.
И, наконец, перестраиваемые или неперестраиваемые катушки индуктивности, используемые в резонансных LC-контурах (фильтр- пробках, контурах LC-генераторов, гетеродинов, преселекторов и т. д.). Хотя LC-контуры в частотно-избирательных цепях в последние годы используются все реже (заменяются пьезокерамическими фильтрами, фильтрами на ПАВ, цифровыми устройствами фильтрации), катушки индуктивности все же не совсем потеряли свое значение. Они вполне успешно занимают свою нишу благодаря своей простоте, надежности, низкой стоимости, возможности легкого воспроизведения с нужными параметрами, что особенно важно при небольших тиражах аппаратуры. LC-контуры можно легко перестраивать на нужную частоту.
Рассмотрим кратко материалы, используемые в дросселях и катушках индуктивности. Поскольку речь идет, прежде всего, о повышенных частотах, то основными материалами для индуктивных компонентов являются ферриты и магнитодиэлектрики.
Для тококомпенсированных дросселей, в которых отсутствует подмагничивание, как для силовых цепей, так и для сигнальных, используются высокопроницаемые ферриты с начальной относительной магнитной проницаемостью от 4000 до 10000. Сердечники применяются как тороидальные, так и U-образные, либо различные разновидности Ш-образных и броневых.
Для дросселей, работающих с подмагничиванием и являющихся накопителями энергии, обычно применяются ферритовые сердечники с зазором. Магнитная проницаемость сердечника не имеет решающего значения, так как величина индуктивности определяется преимущественно величиной немагнитного зазора. Для снижения потерь в сердечнике используются так называемые «силовые» марки ферритов, например, N87 фирмы Epcos/TDK или аналогичные. Кроме того, применяются сердечники без зазора из магнитодиэлектриков (в них имеется распределенный зазор). Причем для изделий с наиболее высокими требованиями и характеристиками используются сердечники из молибденового пермаллоя (MPP, МП), а для изделий минимальной стоимости – из сендаста (Cool Мu) или распыленного железа. Для дросселей фильтров, работающих с подмагничиванием и с небольшой величиной переменной составляющей напряжения, из магнитодиэлектриков наиболее подходит распыленное железо, как наиболее дешевый материал, вполне удовлетворяющий данным требованиям. Кроме того, широко применяются незамкнутые сердечники из никель-цинковых ферритов различной конфигурации. Наиболее простые из них – стержневые. Они лучше всего держат подмагничивание благодаря почти бесконечному воздушному зазору, но в то же время обладают и наибольшими полями рассеяния. Примером дросселей на таких сердечниках являются отечественные высокочастотные дроссели типа ДМ. Дроссели на гантельных сердечниках компактнее, меньше излучают, но их индуктивность в большей степени зависит от тока подмагничивания. Такие гантели выпускаются как без выводов, так и с радиальными или аксиальными штыревыми выводами. И, наконец, экранированные гантельки, помещаемые в ферритовый экран. Они излучают еще меньше, но, соответственно, из-за уменьшения величины воздушного зазора, еще хуже держат подмагничивание. В последнее время появились низкопрофильные гантельные сердечники, как экранированные, так и неэкранированные, в исполнении для поверхностного монтажа. Дроссели на таких сердечниках могут выполняться на токи до десятков ампер.
Следует упомянуть высокочастотные дроссели, выполненные в виде чипов. Они выпускаются разных типоразмеров и имеют несколько разновидностей – дроссели с ферритовыми сердечниками и намоткой проводом, многослойные дроссели с ферритовыми сердечниками и без них. Такие дроссели имеют те же типоразмеры, что и другие пассивные компоненты, предназначенные для поверхностного монтажа – резисторы, конденсаторы. А поскольку индуктивные компоненты, имея одинаковые габаритные размеры с резисторами, имеют в ряде случаев определенные преимущества перед ними, то их весьма целесообразно применять вместо резисторов или вместе с резисторами в качестве фильтров питания, в цепях межкаскадной развязки, для частотной компенсации, в частотно-зависимых нагрузках, в качестве нагрузок усилительных каскадов, особенно при низковольтном питании.
Катушки индуктивности, предназначенные для работы в резонансных контурах, выполняются, как правило, с подстроечными сердечниками из ферритов или карбонильного железа как на цилиндрических каркасах, так и в броневых сердечниках с зазором конфигурации Б, КВ (RM) и т. п. Применение кольцевых сердечников для этих целей – нерациональное решение, так как ферритовые материалы имеют достаточно большой разброс по магнитной проницаемости, что приводит к разбросу индуктивности, а невозможность подстройки катушки в аппаратуре делает настройку контура в резонанс весьма затруднительной. Кроме того, кольцевые сердечники почти не выпускаются из термостабильных материалов ввиду малого их применения. Например, из термостабильного материала N48 фирма Epcos/TDK выпускает только броневые сердечники. Существует еще один вид контурных катушек индуктивности – наиболее простые и дешевые бескаркасные катушки, которые выпускаются без сердечников и по виду напоминают спиральные пружинки. Такие катушки имеют небольшую индуктивность и применяются на высоких частотах, например, в FM-диапазоне. Подстройка контуров в изделии осуществляется сдвиганием и раздвиганием витков, после чего витки фиксируются каким-либо высокочастотным диэлектриком, например, парафином.
Таким образом, мы кратко рассмотрели применение индуктивных компонентов. Исторически они были одними из первых элементов радиоэлектронной аппаратуры, но широко применяются и в настоящее время. Индуктивные компоненты постоянно улучшаются и совершенствуются за счет применения новых материалов, конструкций и технологий. Они будут широко применяться и в будущем в самой разнообразной технике – от мобильных телефонов, радио-, телеприемников и другой аппаратуры связи– до источников питания и других устройств силовой электроники.
Трансформатор осуществляет гальваническую развязку между первичной и вторичной цепью и при этом в отличие от других устройств передаёт электрическую энергию с малыми потерями, то есть с высоким коэффициентом полезного действия. При этом в зависимости от назначения и конструкции трансформатора величина передаваемой мощности может лежать в пределах от мкВт до МВт. Поэтому трансформаторы широко используются как в сигнальных так и в силовых цепях.
Трансформаторы могут работать как при очень маленьких напряжениях на первичной обмотке (единицы мВ для микрофонных трансформаторов и т.п.) так и при очень больших напряжениях в единицы и десятки киловольт в силовых трансформаторах.
Трансформаторы позволяют получить практически любое требуемое напряжение на вторичной обмотке (при определённых ограничениях).
Трансформаторы в сигнальных цепях используются, кроме гальванической развязки, для согласования выходного сопротивления источника сигнала с входным сопротивлением приёмника сигнала или сопротивлением нагрузки, а также для согласования несимметричной линии с симметричной и наоборот, могут работать как в узком, так и в широком диапазоне частот, как на низкой частоте от единиц Гц, так и на высокой частоте до единиц ГГц.
Трансформаторы тока работают от источника тока и преобразуют этот ток в ток нужной величины или в напряжение на определенном сопротивлении нагрузки. Трансформаторы тока как правило преобразуют большую величину тока источника в небольшую величину. Трансформаторы тока применяются для измерительных целей а также как датчики тока в устройствах защиты и автоматики. Они могут применяться как на низкой частоте, так и на частотах до сотен кГц.
Трансформаторы могут классифицироваться разными способами, например:
По функциональному назначению:
- Силовые трансформаторы в основном используются в области энергетики и служат для изменения напряжения линии электропередач до нужной величины и передачи электроэнергии к потребителям.
- Трансформаторы питания предназначены для электропитания различной радиоэлектронной аппаратуры, то есть для передачи электрической энергии к питаемому оборудованию и создания питающих напряжений и (или) токов нужной величины; в некоторых случаях они также называются силовыми. Например, в ламповых звуковых усилителях, которые содержат также выходные трансформаторы, трансформаторы питания часто называют силовыми трансформаторами.
- Выходные трансформаторы служат для согласования нагрузки с выходным каскадом усилителя мощности звуковой частоты или радиопередатчика.
- Измерительные трансформаторы применяются для согласования с измеряемыми цепями и гальванической развязки входных цепей приборов и устройств для измерения напряжения или тока.
- Сигнальные трансформаторы служат для согласования источника сигнала и нагрузки, для гальванической развязки, для изменения уровня сигнала.
По передаваемой мощности (разделение достаточно условно):
- Маломощные – от долей Вт до единиц Вт;
- Средней мощности –от 10 Вт до 100 Вт;
- Большой мощности ->100 Вт.
- Низкочастотные – до 100 Гц;
- Повышенной частоты – до 1000 Гц;
- Звуковой частоты – до 20 кГц;
- Ультразвуковой частоты 20 кГц-1 МГц;
- Высокочастотные – >1 МГц.
- Узкополосные-работающие на фиксированной частоте или в узком диапазоне частот при fmax/fmin<2; например, сетевые трансформаторы питания.
- Широкополосные, работающие в широком диапазоне частот fmax/fmin>2, например, звуковые трансформаторы, работающие в диапазоне частот 20Гц-20кГц.
В свою очередь каждая группа трансформаторов может также подразделяться в зависимости от применения, назначения, технических параметров, вида сигналов и других признаков.
Например, трансформаторы питания могут быть сетевые, подключаемые непосредственно к питающей сети и работающие непосредственно на её частоте 50/60 или 400 Гц, а могут быть импульсные, работающие в составе импульсных источников питания на частотах десятки-сотни кГц.
Сигнальные трансформаторы могут подразделяться или по виду сигналов, или по назначению и применению.
Применение широкополосных трансформаторов
Николай Ковалев
В аппаратуре и системах связи, передачи данных, в усилительной, радиоприемной и радиопередающей технике часто возникает необходимость согласования источника сигнала и нагрузки. При этом желательно передать сигнал с минимальными потерями мощности, частотными и нелинейными искажениями, с минимальными отражениями. Наиболее удобным и универсальным способом решения этой задачи, максимально удовлетворяющим предъявляемым требованиям, является применение широкополосных трансформаторов. Рассмотрим некоторые, наиболее типичные, случаи их применения и задачи, которые решаются с помощью широкополосных трансформаторов.
Широкополосные трансформаторы, в отличие от изделий, работающих на фиксированной частоте с относительно небольшими отклонениями, например, в пределах ±20%, работают в широком диапазоне частот – от одной до нескольких (и даже многих) октав. Они могут выполнять следующие функции:
- согласовывать сопротивления нагрузки (как сосредоточенной, так и линии с распределенными параметрами) с выходным сопротивлением источника сигнала;
- осуществлять гальваническую развязку в цепи сигнала;
- согласовывать несимметричный выход источника сигнала с симметричной линией или нагрузкой, или симметричный выход источника сигнала с несимметричной линией и нагрузкой и т. п.
по выполняемой функции:
- согласующие;
- развязывающие;
- симметрирующие;
- потоковые (для передачи цифровых потоков, например E1);
- стыковые;
- интерфейсные;
- линейные (предназначенные для работы с линией связи);
- трансформаторы ISDN, SHDSL, ADSL и т.д. (предназначенные для работы в составе соответствующей аппаратуры);
- входные;
- выходные;
- межкаскадные;
- низкочастотные;
- звуковые;
- ультразвуковые;
- высокочастотные.
Широкополосные трансформаторы могут быть маломощными, предназначенными для передачи сигналов небольших уровней (сигнальные трансформаторы). Они могут быть и мощными, используемыми для передачи относительно больших уровней мощности (например, выходные трансформаторы усилителей мощности звуковой частоты, выходных каскадов мощных широкодиапазонных радиопередатчиков, ультразвуковых генераторов).
Трансформаторы могут работать как без подмагничивания, так и с подмагничиванием постоянной составляющей тока. В первом случае трансформатор выполнить проще, его магнитопровод не имеет немагнитного зазора, легче получить заданные параметры. Постоянная составляющая тока появляется либо из-за наличия ее в поступающем на первичную обмотку сигнале, либо в случае передачи через обмотки трансформатора тока дистанционного питания. Ток дистанционного питания (ДП) может подаваться несколькими способами. Если ток ДП подается в среднюю точку обмотки (рис. 1 для двухпроводной линии и рис. 2 для четырехпроводной линии), то он не создает поля, подмагничивающего сердечник, так как при симметрии обеих половин обмотки поля от тока ДП взаимно компенсируются. Этот ток лишь нагревает обмотку, что учитывается при выборе диаметра провода. При фантомном подключении ДП в двухпроводную линию (рис. 3) ток ДП, проходя по обеим половинам обмотки, создает магнитные поля, которые складываются, так как по отношению к этому току обе половины обмотки включены согласно. Для предотвращения насыщения сердечника и появления нелинейных искажений он должен быть выполнен с немагнитным зазором.
Рассмотрим влияние параметров трансформатора на его работу.
Эквивалентная схема трансформатора с подключенным источником сигнала и нагрузкой приведена на рис. 4. Здесь:
Rг — внутреннее (выходное) сопротивление источника сигнала (генератора);
R1 — активное сопротивление первичной обмотки;
Rп — сопротивление, эквивалентное потерям в магнитопроводе;
R2/=R2/n2 — приведенное к первичной обмотке активное сопротивление вторичной обмотки, где n=W2/W1 — коэффициент трансформации;
Rн/=Rн/n2 — приведенное сопротивление нагрузки;
С1 — собственная емкость первичной обмотки;
C2/=n2C2 — приведенная собственная емкость вторичной обмотки;
C3 — межобмоточная емкость;
Cн/=n2 C — приведенная емкость нагрузки;
L1 — индуктивность первичной обмотки (индуктивность намагничивания);
Ls1 — индуктивность рассеяния первичной обмотки;
Ls2/=Ls2/n2 — приведенная индуктивность рассеяния вторичной обмотки. Единственным принципиально необходимым элементом схемы, кроме генератора с его внутренним сопротивлением и нагрузкой с ее параметрами, является индуктивность намагничивания трансформатора, все остальные его параметры (элементы эквивалентной схемы) являются паразитными.
Идеальный трансформатор, в котором индуктивность намагничивания L1 и сопротивление потерь Rп равны бесконечности, а сопротивления и индуктивности рассеяния обмоток, а также их собственные емкости и межобмоточная емкость равны нулю, передает сигнал от источника в нагрузку без потерь мощности и без искажений в частотном диапазоне, охватывающем весь спектр сигнала. Для максимальной передачи мощности сигнала в нагрузку и для исключения отражений идеальный трансформатор должен иметь такой коэффициент трансформации, чтобы выполнялось условие:
Rн/=Rг
откуда можно рассчитать коэффициент трансформации:
Реальный трансформатор не обеспечивает идеальной передачи сигнала из-за неизбежного наличия потерь и паразитных параметров. Для максимального приближения к идеалу необходимо стремиться к их минимизации, однако в разумных пределах, чтобы не увеличивать стоимость и габариты изделий. Кроме того, необходимо учитывать, что улучшение одних характеристик может привести к ухудшению других. Поэтому трансформатор, разработанный для конкретных технических требований, является компромиссным решением, оптимальным для данного применения.
Потери в магнитопроводе складываются из потерь на гистерезис, потерь на вихревые токи и дополнительных потерь. Снижение потерь на гистерезис достигается выбором материала магнитопровода с узкой петлей гистерезиса. Снижение потерь на вихревые токи достигается выбором материала с высоким сопротивлением или тонколистового материала. В широкополосных трансформаторах широкое применение находят ферриты (особенно высокопроницаемые), тонколистовая электротехническая сталь и аморфные сплавы.
Увеличение индуктивности первичной обмотки (индуктивности намагничивания) улучшает передачу сигнала на нижних частотах диапазона, однако ее невозможно сделать бесконечно большой. Кроме того, при увеличении индуктивности за счет увеличения числа витков возрастает активное сопротивление и собственная емкость обмотки, а также пропорционально растут сопротивления и емкости вторичных обмоток и индуктивности рассеяния. Это снижает резонансные частоты трансформатора и приводит к сужению полосы пропускания в области верхних частот. Поэтому выбор индуктивности намагничивания является компромиссом. Как видно из эквивалентной схемы, индуктивность первичной обмотки образует с выходным сопротивлением источника сигнала частотно-зависимый делитель напряжения, поэтому в зависимости от заданной величины рабочего затухания и рабочего диапазона частот она выбирается из соотношения:
где fн — нижняя частота рабочего диапазона. Отсюда:
Причем значение 10 берется для более низких частот, например, звуковых, а 4 – для более высоких, например, для частот радиодиапазона при Rг=(50…75) Ом.
Допустимые сопротивления обмоток определяются исходя из допустимой величины рабочего затухания на средней частоте рабочего диапазона.
Индуктивности рассеяния, емкости обмоток и межобмоточная емкость влияют на параметры трансформатора на верхней частоте рабочего диапазона частот. При разработке они обычно не рассчитываются, так как точность расчетов невысока, и проще изготовить макет и на нем снять реальные амплитудно- частотные характеристики.
При работе трансформатора в звуковом диапазоне частот с не очень широкой полосой пропускания (около одной декады) специальные меры по снижению индуктивности рассеяния, собственных и межобмоточных емкостей не применяются. Так выполнен широко известный трансформатор ТРС2-1. С расширением рабочего диапазона частот и смещением его в высокочастотную область приходится применять сложные методы намотки, позволяющие уменьшить индуктивности рассеяния и паразитные емкости. При этом трудоемкость изготовления и стоимость трансформатора, естественно, возрастают, но зато получаются требуемые параметры.
При достаточно широкой полосе частот и высоких частотах с успехом могут применяться трансформаторы на длинных линиях с распределенными параметрами. Пример такого согласующего трансформатора с коэффициентом трансформации по напряжению 2:1, а по сопротивлению 4:1, выполненного в двух вариантах — на длинной линии в виде витой пары, намотанной на ферритовое кольцо, и на коаксиальной линии – представлен на рис. 5а и 5б соответственно, а укладка обмотки и соединение выводов показаны (условно) на рис. 5в.
При необходимости расширения диапазона в области высоких частот дополнительно могут применяться цепи частотной компенсации на входе и выходе трансформатора.
Специалисты ООО «БЭК» разрабатывают и внедряют в производство любые широкополосные трансформаторы на самые различные диапазоны частот от звуковых частот до СВЧ.
Исходными данными для разработки широкополосных трансформаторов являются следующие параметры:
диапазон рабочих частот (fн…fв) и затухание на краях диапазона;
выходное сопротивление источника сигнала (или волновое сопротивление линии);
сопротивление нагрузки (или волновое сопротивление линии при работе на линию);
может быть задан коэффициент трансформации;
затухание асимметрии (для симметрирующих трансформаторов);
затухание нелинейности или коэффициент гармоник (при необходимости);
электрическая прочность изоляции;
сопротивление обмоток или рабочее затухание;
индуктивность первичной обмотки или любой из обмоток (при необходимости);
собственные емкости обмоток и межобмоточные емкости.
Таким образом, широкополосные трансформаторы являются почти идеальными (и почти единственными) элементами, позволяющими согласовывать источники сигналов и нагрузки, аппаратуру и соединительные линии; они используются как на входах, так и на выходах, широко применяются в самых различных видах радиоэлектронной аппаратуры.
Литература
Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике: схемы, блоки, 50-омная техника. Пер. с нем. М. «Мир». 1990.
Индуктивные компоненты в радиоэлектронной аппаратуре
Николай Ковалев
В статье рассматриваются некоторые возможные случаи применения индуктивностей в различных видах радиоэлектронной аппаратуры.
Невозможно себе представить многие виды радиоэлектронной аппаратуры без индуктивных компонентов-дросселей различного назначения и катушек индуктивности. Особенно широко они применяются в источниках вторичного электропитания и в устройствах для телекоммуникаций. Конечно, в некоторых случаях можно заменить индуктивные элементы другими (например, резисторами в качестве нагрузок усилительных каскадов или продольных элементов фильтров питания). Однако ни один другой элемент в отличие от индуктивностей не обладает свойством оказывать сопротивление переменному току, причем тем большее, чем выше частота, обеспечивая при этом минимальное сопротивление постоянному току и, соответственно, минимальные потери энергии. В конце прошлого века существовала тенденция замены индуктивных компонентов другими, более дешевыми и малогабаритными. В ряде случаев эта задача с успехом была решена. Так, фильтры сосредоточенной селекции на LC-контурах удалось заменить электромеханическими фильтрами и фильтрами на ПАВ, стали применяться цифровые методы фильтрации при обработке сигналов. Но даже и в этом применении не потеряли своего значения перестраиваемые катушки индуктивности, особенно если частота настройки нестандартна. Кроме того, в последнее время индуктивности, не предназначенные для накопления энергии или обладающие небольшой энергоемкостью, имеют габариты и массу, сравнимые или такие же, как и другие чип-компоненты – резисторы, конденсаторы и т. д.
Весьма ценным свойством индуктивных элементов, часто используемым в различных преобразователях электрической энергии, является накопление энергии в магнитном поле при прохождении по ним тока. В качестве накопителей энергии они вне конкуренции. Причём если конденсаторы накапливают энергию в электрическом поле и могут хранить её достаточно долго (эта энергия эквивалентна потенциальной энергии механической системы), то индуктивные компоненты накапливают энергию в магнитном поле и эта энергия эквивалентна кинетической энергии механической системы.
Наиболее широко индуктивные компоненты представлены в импульсных источниках питания. В самых простых понижающих DC/DC-конверторах (рис. 1) может использоваться от одного до нескольких дросселей. Принципиально необходимым является дроссель L3, который служит сглаживающим элементом, выделяющим постоянную составляющую из последовательности импульсов. Он накапливает энергию при открытом ключевом транзисторе VT1, а во время паузы через диод VD1 отдает ее в нагрузку. Кроме того, могут дополнительно применяться: один или несколько дросселей во входном однозвенном или многозвенном фильтре (L1 на рис. 1); один или несколько дросселей в выходном однозвенном или многозвенном фильтре (L4 на рис. 1). Эти дроссели работают без накопления энергии и служат для подавления шумов и помех на входе и на выходе. Дополнительно для ограничения «сквозных» токов при включении транзистора VT1, обусловленных конечным временем восстановления обратного сопротивления диода VD1, используется дроссель L2, выполняемый часто как насыщающийся.
В повышающем (рис. 2) и полярноинвертирующем DC/DC-конверторах также принципиально необходим накопительный дроссель L2. Дополнительно могут устанавливаться также дроссели L1 и L3 входных и выходных фильтров. Если к фильтрации входных или выходных помех предъявляются повышенные требования, могут быть применены двух- и многозвенные фильтры, но наиболее часто применяются все-таки одно- и двухзвенные.
В однотактных обратноходовых конверторах с гальванической развязкой (рис. 3) дроссели L1 и L2 не являются принципиально необходимыми, но, как правило, устанавливаются во входных и выходных фильтрах. Как и в предыдущих случаях, фильтры могут быть многозвенными. Функцию накопления энергии здесь выполняет трансформатор, осуществляющий также гальваническую развязку.
Однотактные или двухтактные прямоходовые DC/DC-конверторы (рис. 4а и 4б соответственно) обязательно содержат накопительный дроссель (L2 на рис. 4), а также могут содержать (и, как правило, содержат) дополнительно дроссели входных и выходных фильтров (L1 и L3) для улучшения фильтрации напряжения на входе и выходе.
AC/DC-преобразователи могут содержать дополнительно активный корректор коэффициента мощности (ККМ или PFC в английской транскрипции). Он используется преимущественно в устройствах средней и большой мощности Структура и режим работы ККМ соответствует повышающему DC/DC-конвертору без гальванической развязки (рис. 2). В нем обязательно содержится дроссель-накопитель энергии (L2 на рис. 2). Отличие от повышающего конвертора состоит в том, что импульсы ККМ промодулированы по длительности по синусоидальному закону и на входе действует не постоянное напряжение, а выпрямленное синусоидальное. Дроссель ККМ часто имеет обмотку обратной связи. Входные и выходные дроссели в ККМ обычно не используются, фильтры шумов и помех переносятся на вход и выход AC/DC-преобразователя.
В сетевых фильтрах при питании от сети переменного тока дроссели применяются очень широко. Фильтры бывают как встраиваемые в источник питания или аппаратуру, так и внешние, предназначенные для подключения одного или нескольких устройств. Наиболее широко такие фильтры используются для подключения компьютеров и офисной техники. В таких фильтрах (рис. 5) применяются дроссели двух видов. Для подавления синфазных помех служат так называемые тококомпенсированные дроссели, имеющие две одинаковых обмотки, которые включаются встречно по отношению к току питания низкой частоты (L1 на рис. 5). Благодаря этому сердечник дросселя не подмагничивается. Для подавления дифференциальных помех предназначен дроссель с согласно включенными обмотками (L2 на рис. 5). Этот дроссель подмагничивается током питания низкой частоты. Он может быть заменен одним или двумя однообмоточными дросселями.
Дроссели являются необходимыми элементами усилителей низкой частоты (УНЧ) класса D (рис. 6). Такие УНЧ обладают тем преимуществом, что их выходные транзисторы работают в ключевом режиме, обеспечивая высокий КПД при достаточно хорошем коэффициенте гармоник и вполне приличной выходной мощности – до десятков Вт. Это позволяет обходиться без радиаторов. Дроссель используется в выходном фильтре и является интегрирующим элементом – накопителем энергии. В данном случае никакой другой элемент решить эту задачу не способен. УНЧ класса D могут с успехом применяться в домашних кинотеатрах, автомобильной и переносной радиоаппаратуре, ноутбуках и т. д. Поскольку речь зашла о звукоусилении, то необходимо вспомнить высококачественные многополосные акустические системы, в которых применяются частотно-разделительные фильтры, совершенно невыполнимые без индуктивных компонентов. Для примера на рис.7 приведена схема трехполосной акустической системы. Дроссели для таких фильтров выполняются, как правило, в виде многовитковых катушек без сердечника, чтобы не вносить нелинейных искажений.
Аппаратура телекоммуникаций, а также и функциональная аппаратура другого назначения, в том числе с использованием микропроцессоров и микроконтроллеров, также не обходится без индуктивных компонентов. LC-фильтр на входе питания функциональной платы (рис. 8) является наилучшим решением, так как простейший емкостный фильтр не обеспечивает высокого уровня фильтрации шумов и помех, а на резисторе RC-фильтра возникает слишком заметное падение напряжения, что снижает уровень и точность питающих напряжений (а к этому особенно чувствительны микропроцессорные устройства). Кроме того, с RC-фильтром при изменении режима работы устройства и связанном с этим изменением тока потребления возникает специфическая помеха по питанию из-за изменения падения напряжения на резисторе фильтра. Дроссель же, имея весьма малое активное сопротивление, почти не ухудшает качества питающего напряжения по уровню и стабильности, но оказывает весьма заметное сопротивление для переменной составляющей шумов и помех, образуя совместно с конденсатором фильтр нижних частот второго порядка, работающий значительно эффективнее C или RC-фильтра. Единственным условием является то, что собственная резонансная частота дросселя должна лежать выше рабочего диапазона частот. Фильтр может быть многозвенным. Для исключения нежелательных паразитных резонансов конденсатор фильтра должен состоять из электролитического и керамического конденсаторов. Применение LC-фильтров на вводе питания функциональных плат позволяет развязать платы по питанию между собой, снизить требования к источникам вторичного электропитания по шумам и пульсациям и применить более дешевые источники.
Также успешно дроссели могут использоваться и в цепях развязки по питанию внутри платы, отделяя друг от друга различные каскады и узлы устройства. Особенно эффективно их применение при низковольтном питании 3,3 В и менее, что достаточно часто встречается в современной аппаратуре.
В сигнальных цепях, особенно при работе на длинные соединительные линии, успешно используются тококомпенсированные дроссели (рис. 9), содержащие от двух до четырех и более одинаковых обмоток, включаемых по току сигнала встречно. Они являются почти идеальными подавителями синфазных (симметричных) шумов и помех (до 60-80 дБ), оказывая незначительное сопротивление полезному сигналу.
При дистанционном питании удаленных частей аппаратуры при помощи дросселей совместно с газовыми разрядниками и другими защитными элементами обеспечивается защита от воздействия грозы. Тококомпенсированные дроссели, установленные в сигнальных цепях, также помогают решать эту задачу.
Следует также упомянуть дроссели, используемые в качестве индуктивной нагрузки (или части нагрузки) усилительных каскадов, особенно широкополосных и видео усилителей. Здесь дроссели, почти не снижая напряжения питания, обеспечивают необходимое сопротивление нагрузки по переменному току, а также частотную компенсацию на верхних частотах диапазона.
И, наконец, перестраиваемые или неперестраиваемые катушки индуктивности, используемые в резонансных LC-контурах (фильтр- пробках, контурах LC-генераторов, гетеродинов, преселекторов и т. д.). Хотя LC-контуры в частотно-избирательных цепях в последние годы используются все реже (заменяются пьезокерамическими фильтрами, фильтрами на ПАВ, цифровыми устройствами фильтрации), катушки индуктивности все же не совсем потеряли свое значение. Они вполне успешно занимают свою нишу благодаря своей простоте, надежности, низкой стоимости, возможности легкого воспроизведения с нужными параметрами, что особенно важно при небольших тиражах аппаратуры. LC-контуры можно легко перестраивать на нужную частоту.
Рассмотрим кратко материалы, используемые в дросселях и катушках индуктивности. Поскольку речь идет, прежде всего, о повышенных частотах, то основными материалами для индуктивных компонентов являются ферриты и магнитодиэлектрики.
Для тококомпенсированных дросселей, в которых отсутствует подмагничивание, как для силовых цепей, так и для сигнальных, используются высокопроницаемые ферриты с начальной относительной магнитной проницаемостью от 4000 до 10000. Сердечники применяются как тороидальные, так и U-образные, либо различные разновидности Ш-образных и броневых.
Для дросселей, работающих с подмагничиванием и являющихся накопителями энергии, обычно применяются ферритовые сердечники с зазором. Магнитная проницаемость сердечника не имеет решающего значения, так как величина индуктивности определяется преимущественно величиной немагнитного зазора. Для снижения потерь в сердечнике используются так называемые «силовые» марки ферритов, например, N87 фирмы Epcos/TDK или аналогичные. Кроме того, применяются сердечники без зазора из магнитодиэлектриков (в них имеется распределенный зазор). Причем для изделий с наиболее высокими требованиями и характеристиками используются сердечники из молибденового пермаллоя (MPP, МП), а для изделий минимальной стоимости – из сендаста (Cool Мu) или распыленного железа. Для дросселей фильтров, работающих с подмагничиванием и с небольшой величиной переменной составляющей напряжения, из магнитодиэлектриков наиболее подходит распыленное железо, как наиболее дешевый материал, вполне удовлетворяющий данным требованиям. Кроме того, широко применяются незамкнутые сердечники из никель-цинковых ферритов различной конфигурации. Наиболее простые из них – стержневые. Они лучше всего держат подмагничивание благодаря почти бесконечному воздушному зазору, но в то же время обладают и наибольшими полями рассеяния. Примером дросселей на таких сердечниках являются отечественные высокочастотные дроссели типа ДМ. Дроссели на гантельных сердечниках компактнее, меньше излучают, но их индуктивность в большей степени зависит от тока подмагничивания. Такие гантели выпускаются как без выводов, так и с радиальными или аксиальными штыревыми выводами. И, наконец, экранированные гантельки, помещаемые в ферритовый экран. Они излучают еще меньше, но, соответственно, из-за уменьшения величины воздушного зазора, еще хуже держат подмагничивание. В последнее время появились низкопрофильные гантельные сердечники, как экранированные, так и неэкранированные, в исполнении для поверхностного монтажа. Дроссели на таких сердечниках могут выполняться на токи до десятков ампер.
Следует упомянуть высокочастотные дроссели, выполненные в виде чипов. Они выпускаются разных типоразмеров и имеют несколько разновидностей – дроссели с ферритовыми сердечниками и намоткой проводом, многослойные дроссели с ферритовыми сердечниками и без них. Такие дроссели имеют те же типоразмеры, что и другие пассивные компоненты, предназначенные для поверхностного монтажа – резисторы, конденсаторы. А поскольку индуктивные компоненты, имея одинаковые габаритные размеры с резисторами, имеют в ряде случаев определенные преимущества перед ними, то их весьма целесообразно применять вместо резисторов или вместе с резисторами в качестве фильтров питания, в цепях межкаскадной развязки, для частотной компенсации, в частотно-зависимых нагрузках, в качестве нагрузок усилительных каскадов, особенно при низковольтном питании.
Катушки индуктивности, предназначенные для работы в резонансных контурах, выполняются, как правило, с подстроечными сердечниками из ферритов или карбонильного железа как на цилиндрических каркасах, так и в броневых сердечниках с зазором конфигурации Б, КВ (RM) и т. п. Применение кольцевых сердечников для этих целей – нерациональное решение, так как ферритовые материалы имеют достаточно большой разброс по магнитной проницаемости, что приводит к разбросу индуктивности, а невозможность подстройки катушки в аппаратуре делает настройку контура в резонанс весьма затруднительной. Кроме того, кольцевые сердечники почти не выпускаются из термостабильных материалов ввиду малого их применения. Например, из термостабильного материала N48 фирма Epcos/TDK выпускает только броневые сердечники. Существует еще один вид контурных катушек индуктивности – наиболее простые и дешевые бескаркасные катушки, которые выпускаются без сердечников и по виду напоминают спиральные пружинки. Такие катушки имеют небольшую индуктивность и применяются на высоких частотах, например, в FM-диапазоне. Подстройка контуров в изделии осуществляется сдвиганием и раздвиганием витков, после чего витки фиксируются каким-либо высокочастотным диэлектриком, например, парафином.
Таким образом, мы кратко рассмотрели применение индуктивных компонентов. Исторически они были одними из первых элементов радиоэлектронной аппаратуры, но широко применяются и в настоящее время. Индуктивные компоненты постоянно улучшаются и совершенствуются за счет применения новых материалов, конструкций и технологий. Они будут широко применяться и в будущем в самой разнообразной технике – от мобильных телефонов, радио-, телеприемников и другой аппаратуры связи– до источников питания и других устройств силовой электроники.
