Высокочастотный трансформатор представляет собой электрическое устройство, которое предназначается для передачи энергии высокой частоты между двумя или более цепями посредством электромагнитной индукции. Поскольку высокочастотное переменное электромагнитное поле обеспечивает более высокие значения напряжения при тех же показателях напряженности поля, то рассматриваемые устройства отличаются компактностью и преимущественно используются как элементы сложных электрических контуров в радиопередающих системах, а также в импульсных источниках питания.
Принцип функционирования
Устройство данного устройства принципиальных отличий от низкочастотных трансформаторов не имеет. Переменный ток в первичной обмотке трансформатора создает переменный магнитный поток в сердечнике и переменное магнитное поле, которое воздействует на вторичную обмотку. Это изменяющееся (как по времени, так и по амплитуде) магнитное поле на вторичной обмотке вызывает изменение электродвижущей силы (ЭДС) или напряжения во вторичной обмотке высокочастотного трансформатора.
Действие высокочастотного трансформатора зависит от материала сердечника и плотности намотки витков.
Важно! При малой эффективности устройство не передаёт электромагнитную энергию, а накапливает её, что приводит к росту температуры и магнитным потерям.
Выбору материала сердечника уделяют решающее внимание. Такой материал должен обладать следующими характеристиками:
- Высокой диэлектрической проницаемостью;
- Линейностью характеристики передачи энергии;
- Локализацией образующихся помех;
- Минимальными значениями рассеяния индуктивности обмоток.
Рассматриваемые далее конструкции трансформаторов не меняют частоту. Исключения составляют случаи, когда нелинейность материала сердечника вызывает искажения, которые генерируют новые спектральные компоненты.
Устройство
Трансформаторы, которые применяются в преобразователях с мостовыми инверторами, предназначаются для высокочастотного выпрямления и обеспечения гальванической развязки между входом и выходом. Такой агрегат состоит из двух частей:
- Мостового инвертора на первичной обмотке.
- Выпрямителя на вторичной обмотке.
Основные отличия низкочастотных трансформаторов от высокочастотных заключаются в особом конструктивном обеспечении связей между обмотками. Фактически параллельно включается ещё одна пара обмоток, причём первичная обмотка второй из них электрически никак не связана с первой, а вторичная обмотка подключается к соответствующим выводам первой вторичной обмотки. Это снижает энергетические потери и устранять риск перегрева устройства при передаче значительной мощности.
Таким образом, высокочастотный трансформатор (отличия которого состоят в присутствии одной первичной и двух вторичных обмоток, соединенных между собой параллельно), позволяет подключить вторичные обмотки при условии, что они имеют одинаковое количество витков и намотаны на один и тот же магнитный сердечник.
При этом не имеется различий в отношении мощности суммарных электромагнитных помех, если принимаются одинаковыми коэффициенты поворота первичной и вторичной обмоток, а также их номинальные мощности.
Важно! Параллельное подключение вторичных элементов выполняется с целью улучшения процесса комбинированной подачи тока на нагрузку.
Если высокочастотный трансформатор используется в маломощных энергетических цепях (например, в радиопередающих комплексах), то используется один вторичный элемент, выполняемый из толстой проволоки. Результат действия одинаков, а сложность и громоздкость системы уменьшается.
В практике использования часто имеет значение сравнение двух вышеописанных вариантов по производительности в отношении электромагнитных помех и стабильности напряжения. Если оба типа высокочастотных трансформаторов выдают ток нагрузки при равном напряжении, то падение производительности (из-за индуктивности и сопротивления утечки) несущественно. Однако при мощностях более 10 Вт имеет значение площадь поверхности провода, которая определяет так называемый скин-эффект. Например, для одного вторичного провода необходима увеличенная площадь поперечного сечения для меди, чем для двух бифилярных катушек с намоткой.
Последовательность действия и характеристики
Независимо от конструктивной разновидности постоянный ток поступает на первичную обмотку. При этом для питания полевого транзистора требуется создание прямоугольной волны амплитудой от 0 В до + 12 В, а трансформатор будет нуждаться в первичной форме волны, которая имеет среднее значение, близкое к нулю.
Магнитный поток в ядре не сбрасывается, поэтому где-то вдоль линии получается насыщение. В результате остаточный поток, оставшийся от одного цикла переключения, создается следующим циклом: считается, что высокочастотный трансформатор «уходит в насыщение».
Параметры тока и напряжения на первичной обмоткой трансформатора изменяются с помощью однополярного истокового повторителя, причем рабочий диапазон достигает 12 В. При малой нагрузке те же колебания воспроизводятся и вторичной обмоткой. Однако имеются и отличия. Ток в первичной обмотке течет только в одном направлении. При высоком напряжении он увеличивается с одной скоростью, а при низком — с другой.
Важно! Когда выходной сигнал становится низким, ток отключается гораздо быстрее, что искажает его форму. Поэтому применяется управление трансформатором с помощью биполярного сигнала, когда ток, симметрично протекает в обоих направлениях.
Рабочие параметры устройств включают в себя:
- Импульс: гарантирует, что индуктивность остается в заданном диапазоне и избегает насыщения.
- Функционал режима переключения, который содержит три дросселя и переключающий трансформатор.
- Способ обратной связи – по выходному напряжению, которое является функцией удержания тока в трансформаторе (реже встречается обратный вариант, с управлением по току).
- Рабочее напряжение на инверторе – от 1000 В, при низком входном напряжении.
- Тип изоляции. Рассчитывается на общее напряжение в диапазоне 15 … 200 В.
Основные применения: установки возобновляемой энергетики, гибридные транспортные средства, промышленные приводы, а также устройства, предназначенные для управления энергораспределением.
Особенности конструкции и использования
Позициями, по которым производится выбор рассматриваемых устройств, являются:
- Потребляемые входные напряжения, В – 0….15000.
- Напряжения на выходе, В – 0….6000.
- Реактивная мощность, кВА – 0,25….5000 (для авторитетных производителей эта характеристики не зависят от длительности узла).
- Коэффициент мощности нагрузки – 0…100% (по отставанию или по опережению).
- Частота, Гц – 20…100000.
- Фазность сети – одно- или трехфазная.
- Электростатическое экранирование – обязательно, может включать в себя один или несколько защитных экранов.
- Исполнение корпуса – для работы в обычной или агрессивной среде.
Важным параметром выбора считается материал сердечников. Используются два типа конструкции. В оболочечном типе обмотки располагаются на общей ножке сердечника, а в трансформаторе с сердечником обмотки намотаны на разные ветви трансформатора. Ввиду того, что главной задачей эффективного использования высокочастотного трансформатора является обеспечить максимальную связь потока, то толщина проволоки выбирается с учетом рабочего тока, который будет питать устройство. Реже встречаются третичные обмотки высокочастотных трансформаторов.
Основные материалы, используемые для изготовления сердечников, определяются назначением устройства. Например, силовые трансформаторы, работающие на частоте сети, могут иметь мягкие железные сердечники для магнитного соединения первичной и вторичной обмоток.
Важно! Для высокочастотных трансформаторов мягкое железо является неудовлетворительным, потому что материал имеет слишком много «памяти» — то есть достаточно инерционен, чтобы обратить магнитное поле тогда, когда ток в первичной обмотке меняется на противоположный.
Для аудиотрансформаторов используют преимущественно железо, модифицированное кремнием или никелем- элементами, которые снижают эффект памяти. В конструкциях радиочастотных трансформаторов используются компактированные порошковые материалы – ферриты.
Способы намотки тоже разные. Высокочастотные преобразователи в аудиотехнике нуждаются в быстрой реакции на изменения магнитного поля, поэтому при их производстве укладывают первичную и вторичную обмотки поверх определенного места на ядре.
Наибольшей оперативности в управлении требуют радиочастотные трансформаторы, поэтому они часто наматываются бифилярно, когда первичный и вторичный провода одновременно наматываются вокруг сердечника. Такой метод минимизирует потери и обеспечивает прямую магнитную связь между обмотками.
