Как сделать согласующий трансформатор

Согласующий трансформатор

Согласующий трансформатор — электротехническое устройство, обеспечивающее передачу или преобразование полезного гармонического сигнала различной частоты с минимальными искажениями и потерей мощности. Такой результат становится возможным только благодаря точному согласованию полного сопротивления (импеданса) источника сигнала и нагрузки или отдельных каскадов электронных схем.

Назначение

Известно, что минимизировать потери электрических сигналов при передаче потребителю можно только тогда, когда его полное сопротивление соответствует внутреннему сопротивлению источника. Это правило действует для всех схем — многокаскадных электронных устройств, при подключении нагрузки к усилителям или подаче на них сигнала, например, от звукоснимателя или микрофона.

Основное назначение согласующего трансформатора связано именно с необходимостью масштабирования сопротивления источника и нагрузки. При этом само непосредственное изменение показателей силы тока и напряжения не имеет значения. Применяются такие приборы тогда, когда требуется подключение нагрузки, не соответствующей по сопротивлению допустимым значениям для источника сигнала.

Принцип работы

При подключении к первичной обмотке трансформатора источника переменного тока за счет сердечника магнитный поток, который охватывает и вторичную обмотку устройства. При этом индуцируется электродвижущая сила, которая и обеспечивает появление в цепи тока при подключении нагрузки. Благодаря этому осуществляется передача энергии или сигнала без непосредственной электрической связи между обмотками.

Принцип работы трансформатора

Чтобы обеспечить согласование нагрузки и источника по сопротивлению, соотношение числа витков во вторичной обмотке к первичной должно равняться квадратному корню отношения сопротивления нагрузки и источника сигнала. Только в этом случае можно обеспечить передачу без лишних потерь энергии и искажений.

Пример расчёта

Необходимо рассчитать коэффициент трансформации для согласующего трансформатора в ламповом усилителе:

Виды магнитопроводов

Особенности конструкции

Передача энергии между обмотками в трансформаторах осуществляется за счет воздействия создаваемого магнитного поля. В зависимости от типа согласующего устройства оно может иметь разную конструкцию:

Для обмоток применяют изолированный медный провод круглого сечения, диаметр которого подбирается на основании расчета. Допускается и намотка проводниками прямоугольной формы, но только при сечении более 5 мм2. В качестве дополнительной изоляции применяется нанесение 2 слоев специального лака.

Основная область применения

Необходимость подобного масштабирования сопротивления существует практически во всех областях, связанных с передачей электрических сигналов и энергии. Но наибольшее применение согласующие трансформаторы получили в следующих сферах:

На этом область применения не ограничивается. Так, даже обычный сварочный трансформатор в какой-то степени можно считать согласующим, что обусловлено требованиями к величине нагрузки на электрические сети.

Виды согласующих трансформаторов

Наибольшее применение на практике получил звуковой согласующий трансформатор входного и выходного типов. Для усилителей на транзисторной элементной базе используют устройства серии ТОТ (оконечный транзисторный), а на ламповых элементах ТОЛ (оконечный ламповый).

В качестве входных получила применение серия ТВТ (входной транзисторный).

Для антенны применяют устройства тороидального типа на ферромагнитных кольцах или конусах необходимого диаметра. Отметим, что для таких трансформаторов не обязательна сплошная намотка по сечению магнитопровода. Достаточно провести через внутреннюю часть прямые проводники, что позволяет сэкономить на производстве за счет уменьшения потребности в электротехнических материалах.

Особенности в эксплуатации

В любом случае при выборе оборудования этого типа необходимо уточнить допустимые эксплуатационные условия.

Как сделать своими руками

Особых сложностей и отличий в изготовлении согласующих трансформаторов нет. Технология сходна со сборкой понижающих устройств. Но необходимо соблюдать следующие рекомендации:

Отметим, что самостоятельное изготовление устройств такого типа экономически нецелесообразно. Закупка отдельных комплектующих обойдется дороже. Согласующее устройство с требуемым коэффициентом трансформации по сопротивлению в заводском исполнении обойдется дешевле.

Источник

Согласующие устройства на ферритовых магнитопроводах

Вопросы согласования входного сопротивления антенны с волновым сопротивлением фидера, а также симметрирование антенн для радиолюбителей всегда были и остаются актуальными. В последние годы особый интерес проявляется к трансформирующим и согласующим устройствам на ферритовых кольцах. Это связано с тем, что такие устройства могут быть малогабаритными, иметь высокий (до 98 %) КПД. Кроме того, в них не проявляются резонансные свойства при перекрытии частотного интервала в несколько октав (например, от 1 до 30 МГц) что особенно удобно, когда используются многодиапазонные антенны («квадраты», «INVERTED V» [1. 2], 3-элементный трехдиапазонный «волновой канал» [3] и т. д.).

В таких широкополосных трансформаторах обмотки выполняют в виде двухпроводных длинных линий передачи (на основе коаксиального кабеля или однородных), намотанных на ферритовое кольцо. Такое выполнение обмоток позволяет практически устранить индуктивность рассеивания и уменьшить индуктивность выводов.

Рис.1

На рис. 2 показано включение ТДЛ с коэффициентом трансформации n=1.

Рис.2

Следует обратить внимание на особенность ТДЛ. которая заключается в наличии двух видов напряжений: противофазного U, действующего между проводниками линии и определяемого мощностью сигнала, и синфазного (или продольного) V, обусловленного асимметрией нагрузки и зависящего от варианта включения трансформатора.

Как образуется синфазное напряжение, действующее между генератором и нагрузкой, т. е. на индуктивности линии Lл, хорошо видно из рис, 3.

Рис.3

Очевидно, что проводники длинной линии шунтируют нагрузку и генератор, если по ним протекают синфазные токи. Введение магнитопровода резко увеличивает индуктивность обмотки, тем самым повышает сопротивление синфазному току и резко уменьшает их шунтирующее действие. В тоже время на распространение волны магнитопровод не оказывает влияния, так как обеспечивается режим бегущей волны (Rг=g=Rи).

В общем виде схема включения ТДЛ с целочисленным коэффициентом трансформации п показана на рис. 4.

Рис.4

Здесь справедливы соотношения Rг=n2Rн, U1=nU2, g=nRн.

На рис. 5 изображены различные варианты включения ТДЛ.

Рис.5

Можно построить ТДЛ и на одном магнитопроводе, но при этом обязательно соблюдают следующие требования. Во-первых, число витков каждой линии должно быть пропорционально значению синфазного напряжения, действующего между концами этой линии, поскольку обмотки связаны общим магнитным потоком. Во-вторых, геометрические длины всех линий обязательно должны быть одинаковыми. В зависимости от варианта включения ТДЛ может даже случиться, что некоторые линии частично или полностью должны быть размещены не на магнитопроводе.

Чтобы определить число витков в обмотках, необходимо вычислить значения синфазных напряжений Vк на каждой линии.

В ТДЛ с несимметричными входом и выходом (тип НН. рис. 5, а)

в инвертирующем (тип НН, рис. 5, б) Vк=(n-к+1)Uн;

с симметричным входом и несимметричным выходом (тип СН, рис. 5, в)

с несимметричным входом и симметричным выходом (тип НС, рис. 5, г)

с симметричными входом и выходом (тип СС, рис. 5, д)

Когда длина линий для обмоток много меньше длины рабочей волны, ТДЛ могут быть упрощены: линии, где синфазные напряжения равны нулю. заменяют перемычкой. В этом случае, например, трехобмоточный ТДЛ (рис. 5, д) преобразуется в двухобмоточный (рис. 6).

Рис.6

Коэффициент передачи ТДЛ зависит от того, насколько волновое сопротивление отлично от оптимального значения и каково при этом соотношение электрической длины линии и длины волны. Если, например, с отличается от требуемого в два раза, то потери в ТДЛ равны 0,45 дБ при длине линии лямбда/8 и 2,6 дБ при лямбда/4. На рис. 7 приведена зависимость коэффициента передачи ТДЛ с n=2 от фазовой длины его линий для трех значений g.

Рис.7

Расчет, приведенный в [4], показывает, что, если используются линии с оптимальными значениями у, коэффициент стоячей волны в ТДЛ не превышает 1,03 при длине линии лямбда/16 и 1,2 при длине лямбда/8. Отсюда можно сделать вывод, что параметры ТДЛ остаются удовлетворительными при длине двухпроводных линий меньше лямбда/8.

Исходными данными при расчете ТДЛ являются коэффициент трансформации п, вариант включения ТДЛ, нижняя и верхняя границы рабочего диапазона частот (в герцах), максимальная мощность Рmax на нагрузке (в ваттах), сопротивление нагрузки Rн (в омах) и волновое сопротивление фидера g (в омах). Расчет ведут в такой последовательности.

1. Определяют минимальную индуктивность проводника линии Lл (в генри) из условия, что

На практике Lл, можно брать в 5. 10 раз больше вычисленного отношения Rг к 2fн.

2. Находят число витков w линии на кольце магнитопровода:

4. Определяют магнитную индукцию (в теслах) Магнитопровода:

Магнитопровод выбирают с учетом, чтобы он не насыщался синфазным током (или постоянным, если он есть). Для этого магнитная индукция в магнитопроводе должна быть на порядок меньше индукции насыщения (берут из справочников).

5. Находят Пиковое напряжение Uпик в линии:

6. Вычисляют эффективное значение тока Iэфф (в амперах):

7. Определяют диаметр d проводов (в миллиметрах) длинной линии:

Для ТДЛ антенных согласующих устройств подходят кольцевые (типоразмерами К55Х32Х9, К65Х40Х9) магнитопроводы из ферритов 300ВНС, 200ВНС, 90ВНС, 50ВНС, а также 400НН, 200НН, 100НН. При необходимости магнитопровод может быть составлен из нескольких колец. Нужное волновое сопротивление длинной линии получают, равномерно скручивая между собой (с определенным шагом) проводники (см. таблицу). В случае крестообразного соединения проводов с оказывается ниже, чем когда соединены между собой соседние проводники. Волновое сопротивление линии из нескрученных проводов диаметром 1.5 мм равнялось 86 Ом.

Волновое сопротивление длинной линии в зависимости от шага скрутки и вида соединений

* При диаметре проводов 1 мм.
** При диаметре проводов 0.33 мм.

Чтобы улучшить параметры (в частности, коэффициент асимметрии) и одновременно упростить конструкцию согласующе-трансформирующего узла, применяют последовательное соединение нескольких ТДЛ различного типа.

Рис.8

Рассчитываем первый ТДЛ.

Примем Lл равной 13,5 мкГн.

2. Вычисляем число витков обмотки:

Такое число витков двойного толстого провода с трудом можно разместить в окне магнитопровода. Поэтому целесообразно использовать два кольца. В этом случае магнитопровод будет иметь размеры К45Х 28Х16 (S=1.4 см 2 ). Новое число w:

3. Определяем пиковое напряжение на нагрузке:

4. Находим синфазное напряжение на обмотках в соответствии со схемой включения (рис. 5, а):

V1=(2-1)71=71 В. Поскольку синфазное напряжение на второй обмотке равно 0, то эта обмотка заменяется перемычками (рис. 6).

5. Синфазный ток равен:

6. Вычисляем магнитную индукцию в магнитопроводе:

Волновое сопротивление линии g1=50 Ом.

Во втором ТДЛ целесообразно применять такие же кольца, как и в первом. Тогда Lл=13,5 мкГн, w=9 витков.

7. Синфазное напряжение на обмотке V=(2+1/2-1)71=106,5 В.

8. Синфазный ток равен:

9. Магнитная индукция

И в данном случае она получается меньше индукции насыщения. Волновое сопротивление линии обмотки выбирают около 12 Ом.

Диаметр проводов для линий ТДЛ определяют так же, как и диаметр проводов для обмотки в обычных трансформаторах. Этот расчет здесь не приводится.

Внимательный читатель может заметить неточность в приведенном расчете (связана с применением составных ТДЛ). Она заключается в том, что индуктивность Lл вычисляется без учета того, что обмотки ТДЛ первой и второй ступени соединены, т. е. с некоторым запасом. Так что на практике в ТДЛ каждой ступени можно уменьшить число витков в обмотках и применить ферритовые магнитопроводы меньших размеров.

Используя комбинации различных одиночных ТДЛ, можно получить широкую гамму ТДЛ с заданными характеристиками [4].

Рис.9

Рис.10

Автором было сделано несколько ТДЛ. Практические данные некоторых из них приводятся ниже. Внешний вид двух трансформаторов показан на рис. 11.

Рис.11

Симметрирующий ТДЛ (тип НС) с коэффициентом трансформации n=1, работающий в диапазоне частот 1,5. 30 МГц при выходной мощности до 200 Вт, для согласования фидера РК-50 с входным сопротивлением антенны 50 Ом можно изготовить на магнитопроводе 50ВНС типоразмером

Рис.12

Рис.13

Рис.14

Перед эксплуатацией ТДЛ следует принять меры по защите их от неблагоприятных климатических воздействий. Для этого трансформаторы обматывают фторопластовой лентой, помещают в коробку и, если есть возможность, заливают компаундом КЛТ.

Литература:

Источник

Ленточная пищалка? –Да нет ничего проще!

Сейчас расскажу, как сделать своими руками ВЧ динамик, так сказать, на уровне мировых стандартов. Будет вам и качество звука не хуже «Фунтек», и доступность деталей, и легкость в повторении. В общем, идеальный набор для конструктора-меломана, у которого есть золотые руки, гениальная голова, утонченный музыкальный слух…но нет денег.

Разумеется, одним магнитом обойтись можно, но лучше не мелочиться в таком вопросе, тем более для себя, любимого!

Итак, вырезаем стальную (магнитную, т.к. нержавейка ни в коем случае не подойдет!) пластину с размерами 155х45х4 мм и приклеиваем к ней «Моментом» магнитики (в данном примере толщина каждого 4 мм).

Из полосы стали, купленной в магазине (здесь важна ровная геометрия пластин) отрезаем две полоски по 175 мм.

Затем на наждаке (точильный круг) обтачиваем одну грань пластины для придания соответствующей формы:

Такая форма концентрирует силовые линии и усиливает магнитное поле в месте расположения ленты-излучателя. Забегая вперед, покажу это место на собранном излучателе:

Но вернёмся назад и продолжим по порядку.

Поверх магнитов наносим две дорожки эпоксидного клея, так чтобы центр оставался чистым. Стальные пластины прижимаем друг к другу через временную пластмассовую полоску-прокладку (я использовал деталь от детского конструктора) и медленно подносим к нижнему магниту. Пластины с громким «чпок!» примагничиваются. И теперь аккуратно (да прибудет с нами Сила!) сдвигаем их вверх вдоль магнитов, следя, что бы конструктор-разделитель не выскочил. Получаем такую конструкцию.

Как только клей высохнет, вынимаем конструктор-разделитель. Стальные пластины прекрасно держатся в нужном нам положении на магнитной подложке.

На две картонные полоски приклеиваем залуженные контакты-полоски медной фольги. Полоски должны огибать картон (как скоба) и служить контактами с обоих сторон. Затем картонки крепим к стальным пластинам с изнаночной стороны, рядом с отверстиями для крепления динамика.

Начинаем готовить ложе для мембраны. Вырезаем полоску из тонкого ворсистого материала, приклеиваем на видимую часть магнитов. Не забываем сделать загиб (утолщение) на краях. Полоска будет работать в качестве легкого поглотителя звука обратной стороны мембраны и её механического ограничителя, в случае нештатного режима (амплитудной перегрузки). А утолщение на концах поднимет мембрану до уровня магнитного зазора.

Переходим к ювелирной работе, к мембране-ленте. Вырезаем из фольги конденсатора полоску шириной 7 мм. Если нет конденсатора, можно вырезать из пищевой фольги. В такой фольге отлично получается буженина.

Вариант из фольги доступнее, но потребует немного изменить количество витков первичной обмотки согласующего трансформатора. Это связано с тем, что фольга для запекания более толстая и будет иметь меньшее электрическое сопротивление.

Далее, гофрируем ленту между двумя шестеренками или между зубчиками крышек от зубной пасты и припаиваем к площадкам-контактам, которые мы заблаговременно приклеили к картонным полоскам.

Обычной пальчиковой батарейкой «узнаем» полярность нашего излучателя. Плюс и минус обозначаем, увидев выталкивание ленты наружу.

Для ленточного излучателя ещё потребуется согласующий трансформатор. Намотать его можно на кольце, взятом из компьютерного блока питания, или использовать любое подходящее кольцо, будь то ферритовое, из пермаллоя или тороидального железа.

Подключение «автотрансформатором» улучшает проникновение высокочастотных составляющих к ленте от усилителя.

Согласующий трансформатор приклеиваем с тыльной стороны излучателя и припаиваем выводы на контактные площадки.

Лицевую сторону с лентой накрываем подходящей предохранительной металлической сеткой. В силу наличия магнитного поля она будет держатся самостоятельно.

Собственно, всё готово. Включаем через подходящий фильтр к НЧ динамику и можно слушать музыку.

Хочется обратить внимание, что, с одной стороны, такая классическая конструкция ленточного динамика позволяет сэкономить на количестве магнитов. С другой, амплитуда колебаний весьма ограничена узким зазором. Поэтому основной недостаток классического ленточника – это плохая работа на нижнем участке рабочих частот. Если лента вышла из зазора, то стали заметны искажения. Как раз тот самый «шорох и звон» ленты, о которых иногда пишут в отзывах владельцы «Фунтек»-ов.

Логично, использовать «пищалку» в том диапазоне, где она «даст фору» всем остальным видам излучателей. То есть, хотим максимальное качество звука- используем разделительный конденсатор (всего лишь 6 Дб/окт) и слушаем от 10 кГц и выше с наилучшей фазо-линейной характеристикой.

Если же хотим слушать от 5 кГц (и выше) –включаем через фильтр 3-го порядка (конденсатор-катушка-конденсатор, 18 Дб/окт).

Как компромиссный вариант: слушаем через конденсатор от 5 кГц, но сильно «не газуем». Тем более, что в данном конкретном случае чувствительности (и громкости соответственно) вполне с запасом даже для обычного лампового однотактника.

Напомню главное преимущество ленточника-вес «диффузора», на порядок меньше любой самой крутой купольной пищалки динамического типа. Отсюда –лучшая атака/затухание сигнала и более точная подача музыкальной информации для наших ушей.

Для тех, кто захочет повторить конструкцию «один-в один», надо знать, что сопротивление именно такого динамика переменному току (импеданс) составляет 4,75 Ом.

В этой статье не будет видео работающего высокочастотника, так как без поддержки излучателей средне- и низкочастотного диапазона, вы услышите только цыканье. Но, работу готовой трёхполосной АС, в которую входят эти излучатели, обязательно продемонстрирую после того, как расскажу про сборку остальных составляющих.

Вторую статью начну с рассказа, из чего и как сделать очень хороший среднечастотный излучатель звука. Главным критерием –абсолютная доступность каждому и очень малая стоимость затрат.

Источник