Трансформатор согласующий: применение, расчёт и как сделать своими руками

применение, расчёт и как сделать своими руками

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

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:

1. Устройства для работы с низкочастотным электрическим сигналом обычно наматывают на броневых или стержневых сердечниках из электротехнической стали. Именно такие устройства применяются в усилителях и звуковоспроизводящей аппаратуре. Габаритные размеры зависят от передаваемой мощности, но обычно они не отличаются большими значениями.

1. Для высокочастотных согласующих трансформаторов чаще всего применяют тороидальные сердечники из ферромагнитных веществ. Они имеют форму кольца с прямоугольным сечением.
2. Отдельные виды ВЧ согласующих устройств могут быть выполнены по принципу воздушных трансформаторов. Простейший пример — петля из коаксиального кабеля, которая устанавливалась при подключении антенны к основному проводу. Существует вариант и распечатанных непосредственно на плате маломощных трансформаторов согласующего типа.

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:

1. В усилителях низкой частоты (звуковых усилителях) в качестве межкаскадных и выходных трансформаторов. Необходимость в подобных устройствах была связана с тем, что старые усилители изготавливались на ламповой компонентной базе. При этом практически все лампы отличались высоким внутренним сопротивлением и подключение к ним 4 или 8-омных динамиков напрямую к ним было невозможно. Даже с появлением транзисторов, операционных усилителей ситуация в корне не изменилась, так как без согласования сопротивлений увеличивался уровень искажений сигнала.
2. В качестве входных согласующие трансформаторы применяются в звуковоспроизводящей аппаратуре для подключения микрофонов, звукоснимателей различных типов. Сопротивление этих устройств варьируется в пределах от десятка до сотни ом, а для подключения к усиливающей аппаратуре требуются значения, которые будут на порядок больше.
3. Еще одна сфера связана с передачей радиосигнала. Трансформаторы этого типа используются для согласования сигнала при подключении антенн к приемным и передающим устройствам. Без их применения получить качественный сигнал не удается. Отметим, что в этих целях используются высокочастотные согласующие трансформаторы.

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

Отметим, что каждая серия устройств предназначена для определенных условий эксплуатации. В большинстве случаев допустимый температурный диапазон составляет -60/+85°С, атмосферное давление не менее 5 мм рт. ст., но не более 3 атмосфер. Допускается эксплуатация при относительной влажности до 98 %.

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:

• Обмотки укладываются равномерно без повреждения изоляции.
• Пластины малогабаритных устройств не нуждаются в дополнительной изоляции, лакируют только детали наборных сердечников более мощных трансформаторов.
• При выборе типа сердечника необходимо обращать на технические характеристики трансформаторной стали или ферромагнитных колец.

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.

Согласующий трансформатор: принцип действия, разновидности.

Трансформатором называют приспособление, задача которого заключается в изменении напряжения переменного тока на переменный ток другого напряжения. Такие преобразователи являются неотъемлемыми элементами различных электрических систем таких как:

1. сварочные аппараты;
2. нагревательные аппараты;
3. выпрямительные устройства.

В данной статье речь пойдет о такой разновидности преобразующих устройств, как – согласующий трансформатор.

Сущность и принцип действия

Согласующий трансформатор (далее СТ) использует согласование импедансов различных частей  электрической цепи во время трансформации и передачи электросигналов. Трансформаторные устройства согласовывают источник поступаемого сигнала с входным импедансом каскада в усилителях с низкими частотами (УНЧ).

Усилители низкой частоты – приспособления, увеличивающие частоты электрических волн до диапазона частот слышимых человеком (20 Гц – 20 кГц). Такие усилители используют как отдельное устройство либо применяют, как часть более сложного.

Примеры приборов с наличием усилителя:

1. микрофон;
2. телевизор;
3. радиоприемник и т.п.

Сущность СТ заключается в следующем – устройство содержит подложку, выполненную из диэлектрического материала и ферритную пластину, имеющую в рабочих частотах дисперсную магнитную проницаемость. Со стороны подложки, обращенной к пластине, располагаются 1-й, 2-й, 3-й проводники, имеющие П-образную форму. С обратной стороны подложки наносится металлизация, имеющая два зазора в виде «П».

СТ состоит из:

1. Подложки диэлектрической; 2-4. Проводников; 5. Полоскового проводника; 6. Металлизации; 7. Контура щелевого; 8. Пластины ферритной; 9. Металлизации; 10–11. Зазоров; 12-13. Вспомогательных щелевых участков.

Рис. 1 Чертеж согласованного трансформатора

Принцип работы заключается:

1. Первичная обмотка 4 получает входной сигнал. Пластина 8 и металлизация 6 играют роль связующего звена между проводниками 2-4.
2. Затем вводятся новые элементы:
   1. с одной стороны проводник 4 диэлектрической подложки;
   2. с обратной – металлизация.

Коммутация проводников 2-4 обеспечивает уменьшение частоты в 2 раза. Данный вариант конфигурации СТ становится проще, отсутствует контакт между слоями. Согласующее устройство может быть исполнено как фрагмент печатной платы более усложненной схемы.

Конструкция

Устройства данного типа в своих конфигурациях используют ряд базовых элементов такие как:

• магнитный проводник;
• корпус для витков;
• сами обмотки;
• прочие вспомогательные элементы (крепежные фрагменты, средства защиты трансформатора).

СТ изготавливаются из магнитных проводников высокого качества. Существуют разновидности малых и больших размеров.

1. Конструктивные особенности СТ малых габаритов:
   1. пластины сердечника не нуждаются в дополнительной изоляции;
   2. каждая пластина имеет оксидную пленку, которая и образует изоляцию.
2. СТ больших размеров:
   1. пластины сердечника изолируются, путем покрытия с одной стороны изолирующего лака;
   2. устройства такой конфигурации используются при напряжениях на виток порядка менее десятых Вольта либо выше.

Рис 2. Согласующий трансформатор

Обмотки вокруг магнитопровода, как правило, наматывают из медной изолированной проволоки круглого сечения. Проводник прямоугольного сечения применяется в случае использования большого сечения, около 5-10 мм2.

Корпус такого трансформатора зачастую выполняется цилиндрическим. Такая конструкция более проста в изготовлении и имеет меньшую величину индуктивности рассеяния.

Сердечник отбирается по 2-м критериям:

• конструкционная постоянная характеристика нижних частот, которая определяет частотный показатель устройства на низких частотах;
• конструкционная постоянная магнитной индукции, которая определяет амплитуду составляющей магнитной индукции на самой низкой частоте.

Величину сердечника выбирают, учитывая конструкционную постоянную нижних величин частот, а также постоянную величину магнитной индукции в сердечнике.

Материал сердечника выбирают исходя из типа трансформатора, учитывая его рабочую среду, степень износа, а также конструкционные особенности и экономические затраты.

Типы согласующих сигнальных трансформаторов

В зависимости от области применения, внешних факторов и требований к аппаратуре существует большое множество разновидностей электрических преобразователей. Рассмотрим примеры моделей ТОТ, ТОЛ и ТВТ.

Трансформаторные устройства типа ТОТ

Расшифровка аббревиатуры:

Т- «трансформатор»;

О – «оконечный»;

Т- «транзисторный».

Предназначаются для работы в холодных климатических условиях при температуре (-60… +90 °С), с высокой вероятностью износа и относительной влажностью ~93 – 96%.

Рис. 3 Вид трансформаторов ТОТ-типа

Рис. 3. демонстрирует технические особенности устройства, с обозначение основных конструктивных параметров.

Конструктивные размеры указаны в таблице 1. Производство данных разновидностей трансформаторных устройств использует современную технологию производства на печатных платах с заливкой, кроме того, использование лакирования позволяет противодействовать погодным и механическим воздействиям.

Таблица 1. Конструкционные размеры преобразователей вида ТОТ.

Трансформаторные устройства типа ТОЛ

Расшифровка аббревиатуры:

Т- «трансформатор»;

О – «оконечный»;

Л- «ламповый».

Устройства данного типа применимы для работы в относительно холодных, тропических климатических условиях, с высокой вероятностью износа при температуре (-50… +130 °С) и относительной влажностью ~96 – 100%.

Рис. 4 Вид трансформаторов ТОЛ-типа

На рис. 4. представлены изображения устройства с разных видов и обозначения основных конструктивных параметров.

Таблица 2. Допустимые значения преобразователей вида ТОЛ.

Производство приборов ТОЛ – обеспечивает работу не повреждая обмотки, а также исключает возникновения коррозии на стальных деталях. Кроме того, такие приборы обладают высокой стойкостью к высоким температурам, механическим воздействиям и длительным периодом службы.

Трансформаторные устройства типа ТВТ

Расшифровка аббревиатуры:

Т- «трансформатор»;

В – «входной»;

Т- «транзисторный».

Такие СТ изготавливаются малогабаритными, и используются в умеренно-холодных климатических условиях. Рабочая температура колеблется (-60… +85°С), влажность менее 95%. В таких перепадах температуры имеет место вероятность частичного износа трансформатора.

Рис. 5 Вид трансформаторов ТВТ-типа

Таблица 3. Конструкционные размеры преобразователей вида ТВТ

Конструкционная особенность каркаса обеспечивает дополнительную жесткость посредством монтажных выводов. Участок между отводами рекомендуется выдерживать около 2,5 – 3,0 мм. При изготовлении применяются магнитные проводники в виде стержней с высокой магнитной проницаемостью (марки сталей – 79НМА и 50Н), а также высоким показателем индукции технического насыщения.

В конце стоит отметить, что устройства с согласующим трансформатором, перед тем как будут запущены в эксплуатацию, должны пройти необходимые испытания и быть гарантированными для дальнейшей службы. Условием, необходимым для обеспечения соответствующей степени надежности, является реализация ограничений перенапряжения, поскольку при работе СТ может подвергаться более серьезным нагрузкам и иметь большую вероятность износа, нежели при тех, которые проводились на предварительных испытаниях.

Видео о согласующем трансформаторе

7. Согласующий трансформатор | 9. Трансформаторы | Часть2

7. Согласующий трансформатор

Согласующий трансформатор

Поскольку трансформаторы способны понижать или увеличивать напряжение и ток на любую величину, а так же эквивалентно передавать энергию между первичной и вторичной обмотками, их можно использовать для «преобразования» импеданса нагрузки на любую величину. Последняя фраза заслуживает некоторого объяснения, поэтому давайте рассмотрим, что это означает.

Задача нагрузки обычно состоит в том, чтобы сделать что-то продуктивное с рассеиваемой мощностью. В случае с резистивным нагревательным элементом практическая цель рассеиваемой мощности состоит в том, чтобы нагреть что-либо. Все нагрузки рассчитываются на безопасное рассеивание определенного максимального количества энергии, но, две нагрузки с одинаковой номинальной мощностью не обязательно должны быть идентичными. Давайте рассмотрим два резистивных нагревательных элемента мощностью 1000 Вт каждый:

 

 

Оба нагревателя рассеивают по 1000 ватт мощности, но делают это при разных уровнях напряжения и тока (250 вольт 4 ампера, и 125 вольт 8 ампер). Применив закон Ома (R = U / I) для определения необходимого сопротивления этих нагревательных элементов, мы получим 62,5 Ом и 15,625 Ом соответственно. Поскольку обе нагрузки находятся в цепях переменного тока, мы можем говорить не о простом их сопротивлении току, а об импедансе (хотя в нашем случае простое сопротивление — это всё, из чего они состоят, и у них нет реактивного сопротивления). Нагреватель на 250 вольт считается нагрузкой с более высоким импедансом, чем нагреватель на 125 вольт.

Если мы возьмем нагревательный элемент рассчитанный на 250 В (из первой схемы), и подключим его к схеме с источником питания на 125 В (ко второй схеме), то нас ждет большое разочарование. При импедансе (сопротивлении) 62,5 Ом ток в схеме будет составлять всего 2 А (I = U / R; 125 / 62,5), а мощность, рассеиваемая на нагревательном элементе, будет составлять всего 250 Вт (P = IU; 125 x 2) или четвертую часть от его номинальной мощности. Сопротивление нагревательного элемента и напряжение источника в этом случае будут несогласованными, и мы не получим полного рассеивания мощности от нагревателя.

Однако, не все так плохо. У нас получится использовать нагревательный элемент на 250 вольт в схеме с питанием 125 вольт, если мы воспользуемся повышающим трансформатором:

 

 

Правильное соотношение обмоток трансформатора обеспечивает повышение напряжения и понижение тока до таких значений, которые необходимы для нормальной работы нагрузки, не соответствующей данному источнику питания. Давайте внимательно посмотрим на параметры первичной цепи этой схемы: напряжение в ней составляет 125 вольт, а ток — 8 ампер. При таких значениях напряжения и тока источник питания «знает», что он питает нагрузку с импедансом 15,625 Ом (R = E / I). Однако, во вторичной цепи прекрасно себя «чувствует» нагрузка с импедансом 62,5 Ом. Отсюда можно сделать вывод, что наш повышающий трансформатор преобразовал не только напряжение и ток, но и импеданс.

Коэффициенты преобразования напряжения, тока и импеданса можно рассчитать по следующим формулам:

 

 

Все это согласуется с рассмотренным ранее примером повышающего трансформатора 2:1 и коэффициентом преобразования импеданса от 62,5 Ом до 15,625 Ом (коэффициент 4:1 — это 2:1 в квадрате). Преобразование импеданса — это очень полезная особенность трансформаторов, позволяющая нагрузке рассеивать свою полную номинальную мощность даже в том случае, если система питания не обдадает необходимым напряжением, чтобы сделать это напрямую.

А теперь давайте вспомним Теорему о максимуме отдаваемой мощности. В ней говорится, что сопротивление нагрузки будет рассеивать максимальное количество энергии только в том случае, когда это сопротивление будет равно сопротивлению Тевенина / Нортона источника питания. Заменив слово «сопротивление» на «импеданс», мы получим версию данной теоремы для переменного тока. Если мы хотим получить максимальное рассеивание мощности нагрузкой, мы должны правильно согласовать импеданс нагрузки и импеданс источника питания (Тевенина / Нортона). Этот вопрос, как правило, больше касается специализированных электрических цепей, таких как радиопередатчики, антенны и аудиоусилители, акустические системы. Давайте возьмем систему аудиоусилителя и посмотрим, как она работает:

 

 

При внутреннем импедансе 500 Ом усилитель сможет отдать полную мощность только на нагрузку (динамик), также имеющую импеданс 500 Ом. Такая нагрузка будет понижать более высокое напряжение и потреблять меньше тока, чем потреблял бы динамик с импедансом 8 Ом, рассеивая при этом такое же количество энергии. Если динамик на 8 Ом подключить непосредственно к усилителю с импедансом 500 Ом, как показано на рисунке, то несоответствие импедансов приведет к значительному ухудшению характеристик (понижению пиковой мощности). Кроме того, пытаясь управлять динамиком с низким импедансом, усилитель значительное количество энергии будет рассеивать в виде тепла.

Чтобы наша система работала лучше, можно использовать трансформатор, который будет согласовывать разные импедансы. Поскольку мы переходим от источника питания с высоким импедансом (высокое напряжение, низкий ток) к нагрузке с низким импедансом (низкое напряжение, большой ток), нам необходимо использовать понижающий трансформатор:

 

Согласующий трансформатор согласовывает импеданс усилителя (500 Ом) с импедансом динамика (8 Ом) с целью достижения  максимальной эффективности. 

 

Чтобы получить коэффициент преобразования импеданса 500 : 8, нам понадобится соотношение витков первичной и вторичной обмоток равное квадратному корню из 500 : 8 (или квадратному корню из 62,5 : 1 или 7,906 : 1). При наличии такого трансформатора динамик будет нагружать усилитель до необходимого предела, потребляя при этом мощность на нужных уровнях напряжения и тока (чтобы соблюсти Теорему о максимуме передаваемой мощности и обеспечить наиболее эффективную подачу мощности в нагрузку). Трансформатор в данном случае будет называться согласующим.

Любой, кто ездил на «скоростном» велосипеде, может интуитивно понять принцип работы согласующего трансформатора. Ноги человека будут отдавать максимальную мощность при вращении педалей с определенной скоростью (от 60 до 90 оборотов в минуту). Выше или ниже этой скорости вращения мышцы ног человека менее эффективно вырабатывают энергию. Целью «звездочек» велосипеда является согласование импеданса ног водителя с условиями езды, чтобы они всегда вращали педали с оптимальной скоростью.

Если велосипедист попытается начать движение на «высокой» передаче, ему будет очень тяжело сдвинуться с места. Почему это произойдет, потому что велосипедист слаб? Конечно же нет. Это произойдет потому, что высокое передаточное число цепи и звездочек выбранной передачи представляет несоответствие между условием начала движения (большая инерция, которую нужно преодолеть) и ногами велосипедиста (для достижения максимальной выходной мощности ему необходимо вращать педали со скоростью 60-90 об / мин ). С другой стороны, выбор слишком «низкой» передачи позволит велосипедисту незамедлительно начать движение, но ограничит максимальную скорость, которую он сможет достичь. Опять же, является ли отсутствие скорости признаком слабости в ногах велосипедиста? И снова нет. Это произойдет потому, что более низкое передаточное число выбранной передачи создст другой тип несоответствия между условием начала движения (низкая нагрузка) и ногами велосипедиста (потеря мощности при вращении быстрее, чем 90 об / мин). То же самое касается и источников электроэнергии с их нагрузками: для максимальной эффективности системы должно быть соответствие импедансов. В цепях переменного тока трансформаторы выполняют ту же функцию, что и звездочки с цепью на велосипеде, они согласуют импедансы источника и нагрузки.

Согласующие трансформаторы по конструкции или внешнему виду принципиально не отличаются от трансформаторов любого другого типа. На следующей фотографии вы можете увидеть небольшой согласующий трансформатор (шириной около двух сантиметров), использующийся в аудиоусилителях:

 

 

На этой печатной плате, в верхнем правом углу, слева от резисторов R2 и R1, можно увидеть другой согласующий трансформатор. Он обозначен как «T1»:

 

Применение согласующих трансформаторов в электронной аппаратуре — Компоненты и технологии

Тенденции по снижению себестоимости электронной техники в последнее десятилетие привели к сокращению объемов применения сигнальных и силовых трансформаторов. На смену им во многих случаях пришли импульсные источники питания и интегральные микросхемы гальванических развязок. Однако полноценной (или какой%либо вообще) замены классическим трансформаторам в целом ряде применений не существует, о чем свидетельствует присутствие на рынке многих производителей сигнальных и силовых трансформаторов как стандартных, так и специальных типов.

На примере номенклатуры одного из производителей трансформаторов рассмотрим области и особенности применения, в которых классические трансформаторы либо вообще незаменимы, либо замена их на какие-либо иные устройства сопряжена с ухудшением качества и потребительских свойств изделия.

Электрический трансформатор известен человечеству вторую сотню лет и является одним из первых электрических приборов в его истории. Условное изображение трансформатора на электрических схемах приведено на рис. 1.

Рис. 1. Условное изображение трансформатора на схемах

Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой, подается напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток создает переменный магнитный поток в магнитопроводе. Благодаря электромагнитной индукции этот переменный магнитный поток создает во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС индукции, пропорциональную первой производной магнитного потока. Когда вторичные обмотки не подключены (режим холостого хода), ЭДС индукции в первичной обмотке практически полностью компенсирует напряжение источника питания, поэтому ток через первичную обмотку невелик и определяется в основном ее индуктивным сопротивлением. Напряжение индукции на вторичных обмотках в режиме холостого хода определяется отношением числа витков соответствующей обмотки W₂ к числу витков первичной обмотки W₁:

При подключении нагрузки к вторичной обмотке по ней начинает протекать ток. Этот ток также создает магнитный поток в магнитопроводе, направленный встречно магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой. В результате, в первичной обмотке нарушается компенсация ЭДС индукции и ЭДС источника питания, что приводит к увеличению тока до тех пор, пока магнитный поток не достигнет практически прежнего значения. В этом режиме отношение токов первичной и вторичной обмотки равно обратному отношению числа витков обмоток:

Отношение напряжений в первом приближении также остается прежним. В результате, мощность, потребляемая от источника в цепи первичной обмотки, практически полностью передается во вторичную.

Конечно, указанные выше соотношения справедливы лишь для идеального трансформатора, в реальных изделиях существует множество факторов, их нарушающих (в частности, потери в активном сопротивлении обмоток, потери за счет токов Фуко в металле магнитопровода, потери намагничивания и ряд других), но они в большинстве случаев невелики и не влияют на принципиальное следствие, вытекающее из приведенных формул. А следствие это весьма важное, поскольку определяет практически всю область применения трансформаторов как согласующих приборов — сопротивление цепи по переменному току, подключенной к одной из обмоток, будет пересчитано во вторую как:

Поскольку обмотки трансформатора не имеют непосредственной связи друг с другом, это дает возможность согласовывать сопротивления источников и приемников сигналов, уровни входных и выходных напряжений и токов устройств, находящихся под разными потенциалами.

Категория согласующих трансформаторов чрезвычайно обширна, и перечислить все возможные варианты их применений практически невозможно. Поэтому уделим внимание согласующим трансформаторам, работающим в звуковом диапазоне частот, как исторически первым представителям данной группы, а также коснемся импульсных трансформаторов малой мощности.

Трансформаторы данной группы можно условно разделить на 4 категории.

Входные трансформаторы

Они, в основном, предназначены для согласования низкого выходного сопротивления ряда источников сигнала (микрофон, звукосниматель с подвижной катушкой и т. п.) с высоким входным сопротивлением усилительного устройства. Кроме того, применение входного трансформатора позволяет существенно улучшить шумовые характеристики устройства. Для каждого усилительного каскада или усилителя в целом наилучший уровень шума достигается в том случае, когда эквивалентное шумовое сопротивление входной цепи усилителя равно внутреннему сопротивлению источника сигнала [1].

Для конкретного типа усилителя этот параметр можно вычислить по формуле:

где E_ш — средняя спектральная плотность
входного шумового напряжения усилителя,
B/√Гц, I_ш — средняя спектральная плотность входного шумового тока усилителя, А/√Гц.

Обычно эквивалентное шумовое сопротивление большинства операционных усилителей (и их дискретных аналогов) лежит в пределах от единиц до десятков килоом. Учитывая то, что внутреннее сопротивление низковольтных источников сигнала, в частности, динамических микрофонов, обычно составляет десятки или сотни ом, можно сделать вывод, что при работе с подобными источниками сигнала шумовые свойства большинства усилительных схем, в особенности выполненных на ОУ, даже малошумящих типов, будут далеки от оптимальных. Решить проблему согласования сопротивлений позволяет применение входного трансформатора, коэффициент трансформации которого можно определить по формуле:

где R_ш — эквивалентное шумовое сопротивление входной цепи усилителя, Ом, R_и — внутреннее сопротивление источника сигнала, Ом.

Для типового сопротивления динамического микрофона 150 Ом и шумового сопротивления ОУ 5 кОм (например, OP27, OP37) оптимальный коэффициент трансформации будет порядка 5–7. Примером такого трансформатора может служить прибор типа LL1636 производства Lundahl. Этот трансформатор имеет 4 первичные и две вторичные обмотки, расположенные на двух катушках П-образного магнитопровода, изготовленного из аморфного металлического материала, который обладает высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями. Коммутируя обмотки соответствующим образом, можно получать коэффициенты трансформации от 5 до 20. Схема возможного варианта микрофонного усилителя, представляющего вариант устройства, описанного в [2], с применением трансформатора LL1636, приведена на рис. 2.

Рис. 2. Микрофонный усилитель с трансформаторным входом

Наличие гальванической развязки между первичной и вторичной обмотками трансформатора позволяет использовать различные типы микрофонов, в том числе требующие высокого фантомного питания, без опасений за работоспособность усилительного каскада.

Еще одно преимущество трансформаторного входа микрофонного усилителя заключается в практически полной нечувствительности к синфазным помехам на входе, особенно при использовании специальных симметричных трансформаторов. Подавление синфазной помехи в усилителе с симметричным трансформаторным входом может достигать 100 дБ в диапазоне звуковых частот, что означает возможность передачи малых сигналов на относительно большие расстояния практически без увеличения уровня помех в выходном сигнале. Это свойство широко используется в концертной и студийной технике звукозаписи и звукоусиления при работе в условиях высокого уровня помех от питающей сети, светового и усилительного оборудования, компьютеров и т. п.

Разделительные и согласующие трансформаторы

В технике звукоусиления и звукозаписи достаточно часто приходится передавать аналоговые сигналы небольших уровней на значительные расстояния. Применение согласующих симметричных трансформаторов является зачастую единственным способом передачи малых сигналов в условиях больших внешних помех. Передача сигнала по симметричной линии в дифференциальном виде и его прием с помощью балансного трансформатора позволят добиться подавления синфазных помех до 60–100 дБ в сочетании с гальванической развязкой источника и приемника сигнала, гарантирующей отсутствие замкнутых контуров общего провода и абсолютно надежную и безопасную работу при наличии потенциалов до сотен вольт между устройствами.

Типовая структурная схема дифференциальной линии передачи сигнала приведена на рис. 3.

Рис. 3. Дифференциальная линия передачи сигнала

При использовании на выходе источника и на входе приемника трансформаторов напряжение помехи и потенциал U_п могут достигать нескольких сотен вольт. Такой уровень синфазных помех и потенциалов недопустим практически ни в каких бестрансформаторных схемах.

При использовании трансформатора JT-11P (Jensen) или LL1540, LL1922 (Lundahl) подавление синфазной помехи на частоте 50 Гц при работе от дифференциальной линии может составлять порядка 130 дБ, что означает возможность практически полного устранения фона переменного тока даже в линиях передачи длиной десятки метров.

Согласующий трансформатор — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Согласующий трансформа́тор — трансформатор, применяемый для согласования сопротивления различных частей (каскадов) электронных схем.

Обычно согласующие трансформаторы применяются для подключения низкоомной нагрузки к каскадам электронных устройств, имеющим высокое входное или выходное сопротивление. Часто согласующий трансформатор выступает в качестве выходного трансформатора для ламповых усилителей звуковых частот.

Эквивалентное сопротивление трансформатора с подключенной нагрузкой (по переменному току) можно выразить формулой:

Re=K2⋅RL{\displaystyle R_{e}=K^{2}\cdot R_{L}}

Где:

K{\displaystyle K} — коэффициент трансформации (отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной),

RL{\displaystyle R_{L}} — Сопротивление нагрузки.

Пример расчёта

Необходимо рассчитать коэффициент трансформации для согласующего трансформатора в ламповом усилителе. Трансформатор согласует низкоомную нагрузку (динамическую головку) с высоким внутренним сопротивлением лампы выходного каскада.

Исходные данные:

Решение: Так как максимальную мощность в нагрузку можно передать только при условии равенства внутреннего сопротивления источника сигнала сопротивлению нагрузки, то необходимо, чтобы величина сопротивления нагрузки лампы была равна внутреннему сопротивлению самой лампы.

Для этого используем трансформатор, коэффициент трансформации которого можно определить по формуле: K=R0RL{\displaystyle K={\sqrt {\frac {R_{0}}{R_{L}}}}}

Подставив численные значения, получим K{\displaystyle K}=35.

См. также

Ссылки

Согласующий трансформатор — Википедия. Что такое Согласующий трансформатор

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Согласующий трансформа́тор — трансформатор, применяемый для согласования сопротивления различных частей (каскадов) электронных схем.

Обычно согласующие трансформаторы применяются для подключения низкоомной нагрузки к каскадам электронных устройств, имеющим высокое входное или выходное сопротивление. Часто согласующий трансформатор выступает в качестве выходного трансформатора для ламповых усилителей звуковых частот.

Эквивалентное сопротивление трансформатора с подключенной нагрузкой (по переменному току) можно выразить формулой:

Re=K2⋅RL{\displaystyle R_{e}=K^{2}\cdot R_{L}}

Где:

K{\displaystyle K} — коэффициент трансформации (отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной),

RL{\displaystyle R_{L}} — Сопротивление нагрузки.

Пример расчёта

Необходимо рассчитать коэффициент трансформации для согласующего трансформатора в ламповом усилителе. Трансформатор согласует низкоомную нагрузку (динамическую головку) с высоким внутренним сопротивлением лампы выходного каскада.

Исходные данные:

Решение: Так как максимальную мощность в нагрузку можно передать только при условии равенства внутреннего сопротивления источника сигнала сопротивлению нагрузки, то необходимо, чтобы величина сопротивления нагрузки лампы была равна внутреннему сопротивлению самой лампы.

Для этого используем трансформатор, коэффициент трансформации которого можно определить по формуле: K=R0RL{\displaystyle K={\sqrt {\frac {R_{0}}{R_{L}}}}}

Подставив численные значения, получим K{\displaystyle K}=35.

См. также

Ссылки

Согласующий трансформатор — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Согласующий трансформа́тор — трансформатор, применяемый для согласования сопротивления различных частей (каскадов) электронных схем.

Обычно согласующие трансформаторы применяются для подключения низкоомной нагрузки к каскадам электронных устройств, имеющим высокое входное или выходное сопротивление. Часто согласующий трансформатор выступает в качестве выходного трансформатора для ламповых усилителей звуковых частот.

Эквивалентное сопротивление трансформатора с подключенной нагрузкой (по переменному току) можно выразить формулой:

Re=K2⋅RL{\displaystyle R_{e}=K^{2}\cdot R_{L}}

Где:

K{\displaystyle K} — коэффициент трансформации (отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной),

RL{\displaystyle R_{L}} — Сопротивление нагрузки.

Пример расчёта

Необходимо рассчитать коэффициент трансформации для согласующего трансформатора в ламповом усилителе. Трансформатор согласует низкоомную нагрузку (динамическую головку) с высоким внутренним сопротивлением лампы выходного каскада.

Исходные данные:

Решение: Так как максимальную мощность в нагрузку можно передать только при условии равенства внутреннего сопротивления источника сигнала сопротивлению нагрузки, то необходимо, чтобы величина сопротивления нагрузки лампы была равна внутреннему сопротивлению самой лампы.

Для этого используем трансформатор, коэффициент трансформации которого можно определить по формуле: K=R0RL{\displaystyle K={\sqrt {\frac {R_{0}}{R_{L}}}}}

Подставив численные значения, получим K{\displaystyle K}=35.

См. также

Ссылки

Согласующие трансформаторы сопротивления

Трансформаторы согласования импеданса

Во многих случаях нагрузка, которую необходимо перемещать, несовместима с оборудованием, доступным для перемещения нагрузки. Это может быть аудио или практически все, что использует форму волны переменного тока для передачи сигнала / мощности / формы волны. Трансформаторы согласования импеданса делают нагрузку похожей на нагрузку, для управления которой она предназначена.

Основные сведения о трансформаторе:
На схеме ниже вы видите два трансформатора.Верхний трансформатор имеет соотношение обмоток 1: 1. Это означает, что выходное напряжение будет равно входному напряжению (без учета очень малых потерь в сердечнике и меди). Трансформатор B имеет соотношение 1: 2. Это означает, что ВЫХОДНОЕ напряжение будет ДВОЙНЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ НА ВХОДЕ.

Мощность:
Вы должны знать, что трансформатор НЕ производит никакой энергии. Мощность передается только с одной обмотки на другую. Если на вторичной обмотке нет нагрузки, через первичную обмотку протекает лишь небольшой «ток возбуждения», а через вторичную обмотку не протекает ток.Мощность, подаваемая в первичную обмотку, равна мощности, производимой на выходе вторичной обмотки.

В следующем разделе мы рассмотрим усилитель, способный выдавать 50 Вт при нагрузке 2 Ом. Это означает, что он может подавать только 10 вольт на нагрузку динамика. Он также предназначен для подачи 5 ампер на нагрузку динамика при полной мощности. Динамик, который мы будем использовать, имеет импеданс 8 Ом.

Если мы подключим трансформатор 1: 1 к динамику с сопротивлением 8 Ом (как показано на схеме ниже) и запустим первичную обмотку 10 вольт, трансформатор передаст напряжение на вторичную обмотку и, следовательно, на динамик.Если мы воспользуемся формулой P = E ² / R, мы увидим, что 10 вольт могут дать только 12,5 ватт.

Входная-выходная мощность:

P = 10 ² /8
P = 100/8
P = 12,5 Вт

Если мы воспользуемся формулой P = I * E, чтобы найти ток, протекающий через обмотки.

Первичный и вторичный ток:

I = 12,5 / 10
I = 1,25 ампер

Ток, протекающий через обе обмотки трансформатора 1: 1, составляет 1,25 ампер.

---

Если мы подадим сигнал 10 вольт в трансформатор с соотношением 1: 2 и подключим динамик на 8 Ом к вторичной обмотке, напряжение на динамике на 8 Ом будет 20 вольт.Помните, что напряжение на вторичной обмотке вдвое превышает первичное напряжение (потому что у нас соотношение 1: 2). Если напряжение удваивается, а нагрузка (8 Ом) остается постоянной, ток удваивается. Это позволит увеличить мощность, подаваемую на динамик 8 Ом, в четыре раза. Если вернуться к формуле P = E ² / R …

Вторичная мощность:

P = 20 ² /8
P = 400/8
P = 50 Вт

Если динамик получает мощность 50 Вт, а трансформатор не производит никакой мощности, это означает, что усилитель выдает 50 Вт при выходной мощности 10 вольт.Для этого усилителю придется подавать больший ток на 10 вольт.

Если мы воспользуемся формулой P = I * E, мы увидим, что ток, протекающий от усилителя , составляет 5 ампер.

Первичный ток:
I = 50/10
I = 5 ампер

Первичная мощность:
P = I * E
P = 5 * 10
P = 50 Вт (то же, что и вторичная мощность)

Помните, что когда мы управляли динамиком с сигналом 10 вольт, мы могли подавать на динамик только 12,5 Вт.С трансформатором тот же усилитель мог выдавать 50 Вт на динамик 8 Ом. Это то же количество мощности, которое усилитель мог бы передать в динамик на 2 Ом (которого у нас не было).

Соотношение ток / напряжение:
Мы уже знаем, что мощность на входе и выходе трансформатора одинакова (входная мощность = выходная мощность). Если мощность составляет 50 Вт, первичный ток составляет 5 ампер, а первичное напряжение составляет 10 вольт, мы можем определить напряжение и ток во вторичной обмотке.Когда мы посмотрим на формулу P = I * E, мы увидим, что напряжение и ток будут обратно пропорциональны на каждой стороне трансформатора. Если мощность постоянна, а ток в первичной обмотке удвоен (из-за соотношения 1: 2), во вторичной обмотке он уменьшается вдвое. Обратное верно для напряжения. Соотношение 1: 2 приведет к удвоению напряжения во вторичной обмотке. По количеству витков всегда можно сказать, где напряжение будет больше. Поскольку вторичная обмотка имеет вдвое большее количество витков (соотношение 1: 2), напряжение на вторичной обмотке будет выше.Если бы во вторичной обмотке было меньше витков, напряжение во вторичной обмотке было бы ниже.

• В следующих уравнениях:

• V _p = первичное напряжение

• I _p = первичный ток

• N _p = первичные витки

• В _с = вторичное напряжение

• I _с = вторичный ток

• N _с = Вторичные обороты

Математически …
V _p / N _p =
V _с / N _с

I _p * N _p =
Я _с * N _с

---

Предупреждение: впереди еще одна неудачная аналогия

На следующем рисунке вы можете видеть, что шкив цикла и шкив насоса имеют одинаковый размер.Это позволит среднестатистическому наезднику удовлетворить потребность в перекачиваемой воде. Скорость, с которой должны вращаться педали, и крутящий момент, который должен быть приложен к педалям, позволят среднему наезднику управлять насосом с необходимой скоростью. Гонщик меньшего размера мог бы крутить педали достаточно быстро, но соотношение первичного шкива (приводимого в действие в цикле) к вторичному шкиву (на насосе) сделало бы невозможным для него (или нее) перекачивать необходимое количество воды ( у него или у нее не будет достаточно сил, чтобы развить крутящий момент, достаточный для приведения в действие насоса с этой комбинацией шкивов).Более крупный наездник (тип кузовостроителя) может легко толкать педали, но может быть не в состоянии поддерживать скорость, необходимую для перекачивания достаточного количества воды. Опять же … это была бы хорошая установка для среднего гонщика. Это аналог усилителя, предназначенного для выработки полной мощности при нагрузке 2 Ом, управляющей динамиком 2 Ом через трансформатор 1: 1. Думайте о серебряном шкиве как о первичной (ведомой) обмотке трансформатора, а о золотом шкиве как о вторичной обмотке.Оранжевый пояс — это магнитное поле, соединяющее первичную обмотку со вторичной.

---

Приведенная ниже настройка лучше всего подходит для более быстрого гонщика меньшего размера. Это соотношение потребует меньшего крутящего момента, но большей скорости педали для перекачивания воды с требуемой скоростью. Среднестатистический всадник может накачать достаточно воды, но это не оптимально для него. Изготовитель кузова вряд ли сможет развить достаточную скорость педали с этой комбинацией. Усилитель (оптимизированный для нагрузок 2 Ом) сможет довести свою номинальную мощность до 1.Нагрузка на динамик 5 Ом, если коэффициент трансформации 1,33: 1. Если мы приравняем крутящий момент к току, а скорость педали — к напряжению и вспомним, что мощность, подаваемая на трансформатор, равна мощности от трансформатора (без учета потерь), мы можем увидеть следующее. Напряжение будет выше на стороне трансформатора с наибольшим количеством обмоток (в данном случае он первичный). Это означает, что ток будет выше на стороне с меньшим количеством обмоток. Помните, что P = I * E. Если мощность одинакова на обеих сторонах трансформатора, напряжение и ток обратно пропорциональны.В этом примере нагрузка динамика будет потреблять слишком много тока от усилителя при прямом подключении. Трансформатор позволяет усилителю пропускать безопасное количество тока и при этом поддерживать низкоомную нагрузку динамика на полную мощность.

---

Такая установка лучше всего подходит для культуристов. Это соотношение потребует большего крутящего момента и меньшей скорости педали. Опять же, средний гонщик может качать достаточно воды, но это не оптимально для него. Меньший гонщик вряд ли сможет развить достаточный крутящий момент с этой комбинацией.Усилитель (оптимизированный для нагрузок 2 Ом) сможет передавать свою номинальную мощность на динамик 2,7 Ом, если коэффициент трансформации составляет 1: 1,33. Усилитель не вырабатывает достаточно напряжения, чтобы обеспечить полную мощность нагрузки с высоким сопротивлением. Трансформатор увеличивает напряжение на вторичной обмотке (точно так же, как конфигурация шкива увеличивает скорость, с которой работает насос). Это позволяет усилителю выдавать полную мощность на высокоомную нагрузку.

---

• В следующем калькуляторе:

• Усилитель (или вход) ток, напряжение и мощность — это ток, напряжение и мощность, передаваемые усилителем в трансформатор.
• Выходной ток, напряжение и мощность — это ток, напряжение и мощность, передаваемые в динамик трансформатором.

• Вам нужно, чтобы номинальная мощность усилителя соответствовала мощности на входе и выходе на выходе .

• Вы хотите, чтобы максимальный безопасный ток точно соответствовал входной мощности.

• Измените соотношение, изменив количество первичных или вторичных обмоток.

• Максимальная мощность усилителя — это максимальная мощность, которую ваш усилитель может выдавать на канал при самом низком номинальном сопротивлении нагрузки.
• Самая низкая номинальная нагрузка — это полное сопротивление нагрузки, используемое для номинальной мощности.

• Напряжение усилителя — это напряжение, которое усилитель производит для выработки номинальной мощности при номинальной нагрузке.

• Ток усилителя — это ток, протекающий при полной мощности в трансформатор.

• Нагрузка динамика — это полное сопротивление нагрузки вторичной обмотки трансформатора.

• Максимальный безопасный ток — это ток, который усилитель будет выдавать при минимальной номинальной нагрузке при полной мощности.

.

Трансформатор согласования импеданса

Микрофонные согласующие трансформаторы Electro-Voice модели 502CP и Shure Model A95UF физически и электрически схожи. Как можно заметить, устройство Shure оснащено съемной телефонной вилкой на четверть дюйма, а телефонная вилка Electro-Voice является неотъемлемой частью. Кроме того, входное сопротивление устройства Electro-Voice фиксировано на уровне 150 Ом, в то время как входное сопротивление устройства Shure может быть установлено в пределах от 75 до 300 Ом или от 19 до 75 Ом, разобрав трансформатор и поменяв местами два провода.Процедура описана в таблице данных Shure A95UF, которую можно загрузить с этой страницы.

Трансформатор состоит из двух катушек, которые соединены магнитным полем, поскольку они расположены близко друг к другу и намотаны на один и тот же магнитный сердечник. Входной сигнал поступает на первичную катушку, а выходной сигнал берется со вторичной катушки. Передача напряжения будет пропорциональна количеству витков в катушке. Если во вторичной обмотке меньше витков провода, чем в первичной обмотке, переменное напряжение на вторичной обмотке будет ниже, чем напряжение на первичной обмотке.Трансформатор может использоваться для повышения переменного напряжения или для понижения напряжения. При соответствующем согласовании импеданса вся мощность, поступающая в трансформатор, передается на нагрузку. Выходное сопротивление трансформатора повышается или понижается вместе с напряжением. Трансформатор обеспечивает усиление напряжения, а не мощности.

Термин «импеданс» относится к общему сопротивлению току в цепи переменного тока и измеряется в омах. Использование трансформатора для согласования импедансов источника и нагрузки обеспечивает максимальную передачу мощности между ними.Примеры ситуаций, в которых это имеет значение, включают усилитель звука и его динамики, радиопередатчик и его антенну или микрофон и его консольный вход. Микрофоны обычно классифицируются как «с низким импедансом» (от 50 до 600 Ом) или «с высоким импедансом» (от 10 000 до 40 000 Ом). Профессиональные микрофоны относятся к категории низкоомных.

Из-за относительно низкого уровня выходного напряжения микрофоны следует использовать в схемах, совместимых с их сопротивлением.Если это невозможно, следует использовать трансформатор, согласующий сопротивление. Выше показаны два примера. Это помогает обеспечить передачу максимальной мощности от микрофона на предусилитель или усилитель, к которому он подключен. Как можно прочитать в комментарии Shure (см. Выше), схемы с низким импедансом могут работать с микрофонными кабелями большой длины без увеличения шума или снижения мощности сигнала.

Radio Shack предлагает собственную версию 274-017C, которая обеспечивает несимметричный вход с высоким импедансом через четвертьдюймовый телефонный разъем и балансный выход с низким сопротивлением через штекер XLR (A3M).Это противоположная конфигурация трансформаторов двух других компаний, которые адаптируют вход с низким Z к выходу с высоким Z.

Расчет импедансов
Где Z = импеданс в омах,
R = сопротивление в омах,
X L = индуктивное реактивное сопротивление в омах,
X C = емкостное реактивное сопротивление в омах .

Коэффициент трансформации трансформатора
Где N = количество витков,
E = напряжение,
I = ток в амперах,
Z = полное сопротивление в омах,
P = первичная обмотка,
S = вторичная обмотка.

Загрузите техническое описание E-V 502CP.

Загрузите техническое описание Shure A95UF.

Загрузите техническое описание Shure A95 Series.
Включает A95A, A95F, A95P, A95FP,
A95D и A95FD.

.