Сайт радиолюбителей Республики Коми.

Глава 1.1. Широкополосные трансформаторы.

50-омные функциональные блоки-это надежные стандартные профессиональные системы (рис. 1.1.)

Далее мы обсудим основы 50-омной техники. Твердое усвоение основополагающих понятий позволит вам при проектировании представить исходные данные таким образом, чтобы ограничиться незначительным числом несложных расчетов или использовать номограммы и рисунки для решения конкретной прикладной задачи, т. е. осуществить то, что называется “блицпроектирование”. Следует отметить, что во многих приводимых ниже функциональных блоках входное/выходное сопротивление может несколько отличаться от 50 Ом.

50-омные блоки имеют внутри себя цепи с сопротивлением, часто значительно отличающимся от 50 Ом и лежащим в пределах 1-500 Ом. К тому же необходимо, чтобы вход/выход 50-омного звена был симметричным или несимметричным. В этом смысле согласование должно выполняться относительно входов/выходов сигнала.

Для взаимного соединения ВЧ-блоков целесообразно использовать различные пассивные устройства, обладающие широкой полосой пропускания, свободной от резонансов, а именно апериодические трансформаторы, выполненные в виде традиционных согласующихся трансформаторов (с магнитной связью) или трансформаторов на линии. Для оптимального использования полоса их рабочих частот должна быть выбрана несколько больше ширины спектра сигнала. Обмотки трансформатора размещаются чаще всего на тороидальном или трубчатом сердечнике из феррита, обладающем соответствующими частотными и мощностными свойствами с относительно высокой начальной магнитной проницаемостью μi ; и высоким коэффициентом индуктивности AL.

Рис. 1.1.

Военный КВ-приемопередатчик, в ВЧ- и ПЧ-каскадах которого используются преимущественно 50-омные блоки.

Это позволяет без труда соединять между собой его модули и, кроме того, дает возможность вносить отдельные изменения в модули для их модернизации в соответствии с прогрессивными техническими решениями или для образования различных модификаций.

На рисунке изображены два контрольно-измерительных блока (а), собственно приемопередатчик (б) и антенный блок (усилитель мощности) (в).

Рис. 1.2. Схема трансформатора и расположение обмоток на тороидальном сердечнике при произвольном значении коэффициента трансформации 7. Приведенные здесь расчетные формулы находят широкое применение.

Тщательный выбор размеров трансформатора приводит к тому, что вносимое им затухание ai будет менее 0,8 дБ, как правило 0,3-0,6 дБ, реже 0,1-0,3 дБ при сопротивлениях < 250 Ом, на частотах < 50 МГц. При этом коэффициент стоячей волны (КСВ) не превышает 1,25 (s < 1,25).

Прежде всего скажем немного о согласующих трансформаторах. Они позволяют получить желаемый коэффициент трансформации ZǕ, значение которого может выбираться в широких пределах. Полоса рабочих частот составляет около пяти октав при сопротивлениях < 250 Ом. На более высоких частотах следует учитывать ухудшение коэффициента трансформации ZǕ и уменьшение полосы пропускания, вызванные влиянием паразитной распределенной емкостной связи, а также значительное увеличение вносимого затухания ai.

Эквивалентная электрическая схема и расположение обмоток на тороидальном сердечнике трансформатора для Произвольного ZǕ приведены на рис. 1.2. В данном случае можно включать трансформатор в режиме без поворота фазы. Этот трансформатор можно использовать и с двусторонней симметричной нагрузкой.

Расчетные соотношения, представленные на рис. 1.2, справедливы для всех случаев. Обмотки трансформаторов выполняются скрученными между собой проводами с целью получения оптимального коэффициента связи (на рисунках для наглядности показано параллельное расположение проводов). Обязательно соблюдайте верную фазировку включения обмоток, обращайте внимание на концы, обозначенные точками.

На рис. 1.3 представлены схема и расположение обмоток на тороидальном сердечнике для двух трансформаторов, у которых ZǕ 1:| > 1... < 4\. В этом устройстве используется так называемая квазилиния, и поэтому оно обладает очень широкой полосой рабочих частот. Конструкция на основе коаксиального кабеля предпочтительнее в каскадах усиления мощности. В данном случае поворот фазы невозможен.

Схема и расположение обмоток на тороидальном сердечнике согласующего трансформатора с ZǕ 1:4:9 представлена на рис. 1.4. Поворот фазы невозможен; для преодоления этого недостатка можно использовать вариант схемы, изображенный на рис. 1.2.

Схема и расположение обмоток на тороидальном сердечнике трансформатора, согласующего симметричную и несимметричную нагрузки с ZǕ 1:|2:2|, изображена на рис. 1.5. Такую схему можно применять и в случае симметричной нагрузки с обеих сторон.

Схема еще одного симметрирующего трансформатора и расположение его обмоток изображены на рис. 1.6. Этот трансформатор имеет ZǕ 1: > |2:2|. Мы можем применять данную схему в случае симметричной нагрузки с обеих сторон.

 

 

Рис. 1.3. Схемы двух трансформаторов и расположение обмоток на тороидальном сердечнике при коэффициенте трансформации

ZǕ (l:|>1- <4|).

 

Рис. 1.4. Схема трансформатора и расположение обмоток на тороидальном сердечнике при коэффициенте трансформации ZǕ (1:4:9).

 

 

 

 

 

Рис. 1.5. Схема симметрирующего трансформатора и расположение обмоток на тороидальном сердечнике при коэффициенте трансформации ZǕ (I :|2: 2|).

 

 

 

 

 

Рис. 1.6. Схема симметрирующего трансформатора и расположение обмоток на тороидальном сердечнике при коэффициенте трансформации ZǕ (I :>|2:2|).

 

 

 

 

 

Рис. 1.7. Схема симметрирующего трансформатора и расположение обмоток на тороидальном сердечнике при коэффициенте трансформации ZǕ (1 :<|2:2|).

 

 

 

 

Рис. 1.8. Схема согласующего трансформатора и расположение обмоток на трубчатом сердечнике при произвольном значении коэффициента трансформации ZǕ .

Трансформатор используется для передачи больших мощностей.

 

На рис. 1.7 представлены эквивалентная схема и расположение обмоток симметрирующего трансформатора с ZǕ <|2:2|. Эту схему можно использовать и в случае симметричной нагрузки с обеих сторон.

Схема и расположение обмоток на трубчатом сердечнике трансформатора с произ вольным ZǕ см. на рис. 1.8.

Эту схему можно применять для передачи больших мощноетей, в особенности при сопротивлениях <50 Ом в оконечных каскадах и возбудителя передатчиков. Возможно как синфазное, так и противофазное включение нагрузке.

 

Трансформатор может использоваться в однотактном режиме (класс А) в качестве симметрирующего трансформатора или как симметричный с обеих сторон (см. рис. 1.8а)

На рис. 1.9-1.12 представлены схемы и формулы для расчета емкостной компенсаци.

Рис. 1.9. Эквивалентная схема формулы для расчета компенсирующих элементов трансформатора.

 

 

 

 

 

 Рис. 1.10. Номограмма для определения компенсирующих емкостей ( рис. 1.9).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.11. Эквивалентная схема, формулы для определения компенсирующих элементов трансформа тора в широком диапазоне частот.

 

 

 

Рис. 1.12. Номограмма для определения компенсирующих емкостей и индуктивностей (к рис. 1.11).

Индуктивных составляющих рассеяния трансформаторов в высокочастотной области рабочих частот.

Критерием, используемым при компенсации, является максимальная рабочая частота fмакс, на которой измеряется Ls высокоомных обмоток при коротко-замкнутых низкоомных обмотках.

 

 

Исходной величиной при расчете компенсации является Ls, а также допустимое значение КСВ (s). Вначале следует определить величины LB и СB, соответствующие заданному s, и, наконец, необходимо рассчитать значения C1/C2 или L1/C1/C2/L2; как правило, вычисленное значение L2 столь мало, что им можно пренебречь.

При компенсации симметрирующих трансформаторов наличие среднего симметрирующего отвода симметричной обмотки не принимается во внимание (за исключением измерений).

Относительно компенсации согласующих традиционных трансформаторов следует, во-первых, отметить, что при сопротивлениях > 50 Ом она необходима только для обеспечения чрезвычайно широкой полосы пропускания.

С другой стороны, трансформаторы, используемые в каскадах усиления мощности при сопротивлениях “50 Ом, должны компенсироваться всегда, даже при небольших полосах пропускания; при сопротивлениях < 10 Ом в диапазоне fмаkс ~ 30 МГц, типичном для широкополосной коротковолновой техники, результирующее значение емкости С2 может достигать величины 1 нФ (!). Поэтому индуктивности обмоток (см. рис. 1.2) следует по возможности снижать.

И наконец, упомянем о трансформаторах на линии (с электромагнитной связью). Они в отличие от согласующих трансформаторов (с магнитной связью) должны иметь коэффициент трансформации, выраженный отношением квадратов целых натуральных чисел, таких, как I2, 22, З2 и т. д., что соответствует значениям ZǕ 1:1, 1:4, 1:9 и т. д. Это ограничение можно рассматривать как недостаток; с другой стороны, трансформаторы данного типа обладают очень широкой полосой рабочих частот, достигающей десяти октав при сопротивлениях нагрузок < 500 Ом.

Рис. 1.13. Схемы двух трансформаторов на линии для противофазного включения нагрузок и расположение обмоток на тороидальном сердечнике при коэффициенте трансформации Zu (1:1). Приведенные здесь формулы находят широкое применение.

Схемы и эскизы размещения обмоток на тороидальном сердечнике для двух фазо-инверсных трансформаторов при ZǕ 1:1 приведены на рис. 1.13. Синфазное включение нагрузок в данном случае невозможно, так как теряется функция линии. К неудовлетворительным результатам приводят попытки использовать этот тип трансформатора в качестве симметрирующего. Разновидность трансформатора, выполненного на коаксиальных кабелях, применяется в основном в каскадах усиления мощности.

Формулы, приведенные на рисунке, имеют широкое применение при проектировании. Конструктивная реализация линии с волновым сопротивлением ZǕ будет описана ниже. Всегда обращайте внимание на точки, обозначающие фазировку обмоток трансформатора, и подключайте многообмоточные структуры, строго соблюдая полярность.

На рис. 1.14 приведены электрические схемы и размещение обмоток на тороидальном сердечнике для двух симметрирующих трансформаторов с ZǕ 1:1. Линия и вспомогательная обмотка выполняются с согласованным числом витков. Оптимальная конструкция трансформатора реализуется при использовании тороидального сердечника.

Схемы и размещение обмоток на тороидальном сердечнике для двух других симметрирующих трансформаторов с ZǕ 1:1 изображены на рис. 1.15. Эти схемы имеют средний отвод (С) с симметричной обмотки (в отличие от схем на рис. 1.14). Обе линии должны обладать почти согласованными индуктивностями и размещаться на одном сердечнике.

Электрическая схема и расположение витков на тороидальном сердечнике для двух трансформаторов с ZǕ 1:4 приведены на рис. 1.16. Поворот фазы невозможен.

На рис. 1.17 представлены схемы и расположение обмоток для двух симметрирующих трансформаторов с ZǕ 1:|2:2|. Обе линии секции 1:4 должны содержать удвоенное количество витков по сравнению с обмотками секции 1:1. Если данная схема используется при симметричной нагрузке с обеих сторон, секция 1:1 может отсутствовать. Оптимальная конструкция трансформаторов реализуется при использовании тороидального сердечника.

Схемы и расположение обмоток на тороидальном сердечнике для двух симметрирующих трансформаторов с ZǕ 1:|1/8:1/8| представлены на рис. 1.18. Обе линии секции 4:1 должны содержать половинное число витков по сравнению с обмотками секции 1:1. И в данном случае при использовании устройства с симметричными нагрузками с обеих.

 

Рис. 1.14. Схемы двух симметрирующих трансформаторов на линии и расположение обмоток на тороидальном сердечнике при коэффициенте трансформации ZǕ (1:1).

 

Рис. 1.15. Схемы двух симметрирующих трансформаторов на линии и расположение обмоток на тороидальном сердечнике при коэффициенте трансформации ZǕ (1:1).

 

 

 

Рис. 1.16. Схемы двух симметрирующих трансформаторов на линии и расположение обмоток на тороидальном сердечнике при коэффициенте трансформации ZǕ (1:4).

 

 

Рис. 1.17. Схемы двух симметрирующих трансформаторов на линии и расположение обмоток на тороидальном сердечнике нри коэффициенте трансформации ZǕ (1: |2: 2|).

сторон секция 1:1 может отсутствовать. Оптимальная реализация предполагает, что в конструкции трансформатора используется тороидальный сердечник. Схемы и расположение обмоток на тороидальном сердечнике для двух трансформаторов с ZǕ 1:9 показаны на рис. 1.19.

 

 

Участок цепи, обозначенный цифрами 5-8, содержит обмотки с удвоенным числом витков по сравнению с обмотками 1-4. Синфазное включение нагрузок невозможно.

 

Рис. 1.18. Схемы двух симметрирующих трансформаторов на линии и рас- F положение обмоток на тороидальном сердечнике при коэффициенте трансформации ZǕ (1: |1/8:1/8|).

 

Рис. 1.19. Схемы двух симметрирующих трансформаторов на линии и расположение обмоток на тороидальном серде0 (икс при коэффициенте трансформации ZǕ 1:9).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.20. Схемы двух симметрирующих трансформаторов на линии и расположение обмоток на тороидальном сердечнике при коэффициенте трансформации ZǕ (1: |4,5 :4,5|).

  

 

 

На рис. 1.20 приведены схемы и расположение обмоток на тороидальном сердечнике для двух симметрирующих трансформаторов с ZǕ 1:| 4,5:4,51. Обе обмотки секции 1:9 должны содержать примерно в полтора раза больше витков, чем обмотки секции 1:1.

Оптимальная реализация предполагает, что в конструкции трансформатора используется тороидальный сердечник.

Схемы и расположение обмоток на тороидальном сердечнике для двух симметрирующих трансформаторов с ZǕ 1:| 1/18:1/181 представлены на рис. 1.21. Обе обмотки секции 1:9 должны содержать примерно 0,67 витков от числа витков в обмотках секции 1:1. Для данного трансформатора при его симметричной нагрузке с обеих сторон секция 1:1 может отсутствовать. И в этом случае оптимальная реализация конструкции трансформатора предполагает, что используется тороидальный сердечник.

Схемы и расположение обмоток на тороидальном сердечнике для двух трансформаторов с ZǕ 1:16 показаны на рис. 1.22. Обмотки секции со стороны нагрузки 16R должны содержать удвоенное число витков по сравнению с обмотками со стороны R. Поворот фазы невозможен.

На рис. 1.23 изображена номограмма для определения волнового сопротивления ZǕ двухпроводной линии. С ее помощью можно приближенно определить величину ZǕ, которая кроме всего прочего сильно зависит от характеристик изоляции проводов. Точное значение волнового сопротивления можно определить экспериментально путем измерений.

 

 

 

 

Рис. 1.21. Схемы двух симметрирующих трансформаторов на линии и расположение обмоток на тороидальном сердечнике при коэффициенте трансформации ZǕ (1: |1/18:1/18|).

 

 

Рис. 1.22. Схемы двух симметрирующих трансформаторов на линии и расположение обмоток на тороидальном сердечнике при коэффициенте трансформации ZǕ (1:16).

 

 

 

 

 

Рис. 1.23. Номограмма для определения волнового сопротивления ZǕ двухпроводных линий.

 

 

 

В соответствии с рис. 1.24 можно уменьшить эффективное волновое сопротивление ZǕ линии путем параллельного соединения двух ее отрезков, что аналогично параллельному включению активных сопротивлений.

Обе двухпроводные линии следует свить между собой. Перекрестное соединение двух коаксиальных линий, согласно приведенной схеме, приводит к аналогичным результатам.

Допуск на величину эквивалентного волнового сопротивления ZǕ параллельно включенных отрезков коаксиальных кабелей составляет заведомо меньше 10% и зависит в первую очередь от расстояния между экранами кабелей.

На рис. 1.25 иллюстрируется возможность увеличения эффективного волнового сопротивления ZǕ отрезка линии путем последовательного включения двух коаксиальных кабелей, что аналогично последовательному соединению активных сопротивлений. В данном случае экраны коаксиальных кабелей не подключаются, т. е. они разомкнуты по ВЧ.

 

 Допуск на величину эквивалентного волнового сопротивления ZǕ заведомо меньше 10% и зависит в первую очередь от расстояния между экранами кабелей. Включать таким образом витые двухпроводные линии не рекомендуется.

 

 На рис. 1.26 показана схема емкостной компенсации индуктивности рассеяния для трансформатора на линии путем подключения емкостей С1 и С2.

Их номиналы определяются, как правило, экспериментально, так как математическое решение чрезвычайно.

 

 Рис. 1.24. Уменьшение эффективного волнового сопротивления ZǕ двух линий путем их параллельного включения. Рис. 1.25.

 

 

 

 

 Увеличение эффективного волнового сопротивления ZǕ двух коаксиальных кабелей путем их последовательного включения.

 

 

 

Рис. 1.26. Схема емкостной компенсации паразитных индуктивных компонент трансформаторов на линии в случае больших сопротивлений ZǕ .

 

Представленные способы имеют основополагающее значение. громоздко и поэтому обладает низкой точностью. Этот способ компенсации используется преимущественно при высоких значениях ZǕ, встречающихся в первую очередь при сопротивлениях менее 50 Ом.

Критерием служит получение возможно более широкой полосы рабочих частот. Для типичных случаев использования в широкополосных КВ-устройствах с fмakc “ 30 МГц требуются значения С от десятых долей пФ до 100 нФ; рекомендуется применять подстроечные конденсаторы с воздушным диэлектриком. Предложенный метод компенсации имеет основополагающее значение и может использоваться для всех описанных в данном разделе разновидностей трансформаторов на линии.

Hosted by uCoz
Rambler's Top100

Rambler's Top100

Copyright © Russian Hamradio.

Hosted by uCoz