Návrh vysokofrekvenčních linkových transformátorů

Transkript

1 inové transformátory inové transformátory Při požadavu na transformaci impedancí v široém frevenčním pásmu, dy nelze obsáhnout požadovanou oblast mitočtů ani široopásmovými obvody, je třeba použít široopásmových transformátorů. Klasicého provedení transformátorů ta, ja je známe z nízofrevenční techniy, nelze použít. Rozptylová indučnost, parazitní apacity a ztráty ve vinutí a feromagnetiu totiž zásadním způsobem mění vlastnosti transformátoru. Jeho parametry se ta značně odchylují od ideálních hodnot a jsou frevenčně závislé. Proto pro dosažení dostatečné široopásmovosti musíme místo transformátorů lasicého provedení použít tzv. linové transformátory, pro něž je charateristicé, že jejich vinutí je zhotoveno z vysoofrevenčního vedení. Provedení transformátoru 1:1 je uvedeno na obr. 1. Vazba mezi dvojpóly 1a a a 1b b je na vysoých frevencích potlačena indučnostmi a a b, teré jsou vzájemně vázány feritovým jádrem. Souhlasně orientované vysoofrevenční proudy v indučnostech a a b nemohou transformátorem procházet. Feritové jádro vša praticy neovlivňuje přenos vysoofrevenční energie podél vedení od generátoru zátěži, jeliož proudy procházející vinutím a a b jsou stejné, ale opačného směru, a nevytváří tedy ve feritu magneticé pole. Přenos vysoofrevenční energie je zprostředován vazbou mezi vodiči dvojliny. R G 1a Tr a R U G 1b b Obr.1 Návrh vysoofrevenčních linových transformátorů inový transformátor bude napřílad realizován na feritovém dvouděrovém toroidním jádru používaném v anténní technice. Je vyrobeno z materiálu s malou relativní permeabilitou µ r a vyhovujícími vlastnostmi v pásmu mitočtů do MHz. Vinutí bude tvořeno něolia závity vysoofrevenčního vedení. Typ vedení se volí podle přenášeného výonu, frevenčního pásma, přizpůsobení a provedení transformátoru. Napřílad pro linový transformátor 1:1 nebo 1:4 je nejvhodnější použít zroucenou nebo lasicou nezroucenou dvojlinu. U použitého vedení je důležitým parametrem jeho charateristicá impedance. Pro transformátor s převodem 1:1 je nejlépe, poud se shoduje vstupní a

2 výstupní zatěžovací impedance s charateristicou impedancí použitého vedení. V případě transformátoru 1:4 je impedance volena ta, aby paralelní spojení vedení zajistilo impedanci např. 75 Ω a sériové spojení impedanci čtyřnásobnou, tj. 3 Ω. Tomu odpovídá charateristicá impedance vedení 15 Ω. Můžeme použít buď omerčně vyráběnou dvojlinu vhodných vlastností a nebo si zhotovit vlastní, poud není dvojlina o požadované charateristicé impedanci dispozici. Měření parametrů dvojliny Ke zjištění vlastností dvojliny lze použít následující postup. Nejdříve ji na jednom onci zratujeme a pa změříme její indučnost. Její připojení roztaženými onci měřiči indučnosti musí být poud možno co nejratší. V druhé fázi měření necháme onec dvojliny rozpojen a měříme apacitu mezi vodiči C p. Při měření se dvojliny nedotýáme, mohlo by ta dojít chybě v určení apacity až v řádu jednote piofaradů. Obě změřené veličiny přepočteme na jeden metr dély vedení. Charateristicou impedanci dvojliny určíme ze vzorce = [Ω; H/m, F/m] (1) C p Ne vždy se podaří zajistit shodnost sutečné charateristicé impedance s požadovanou. rovnice (9) lze najít závislosti mezi nepřizpůsobením a vlastnostmi dvojliny, jaož i mezi nepřizpůsobením a délou vedení ve vztahu vlnové délce. Charateristicou impedanci dvojliny se vzduchovým dieletriem, tzn. ve volném prostoru, lze určit i z jejích geometricých rozměrů. a podmíny D >> d platí D = 76 log [Ω; m, m] () d de D je vzdálenost středů vodičů a d je průměr vodičů. Transformátor 1:1 Schéma linového transformátoru s převodem 1:1 je naresleno na obrázu 1. Frevenční rozsah transformátoru je na nejnižším mitočtu omezen indučností vinutí, danou vztahem S = µ (3) e µ r n l s de permeabilita vaua µ = 4π 7 1 H/m, µ r je relativní permeabilita jádra, S e je efetivní průřez feritového jádra, l s je střední déla magneticé siločáry v jádře a n je počet závitů vinutí cívy.

3 V případě použití feritového jádra lze permeabilitu a parametry jádra vyjádřit onstantou A S A µ e = µ r (4) l s potom pro indučnost platí = A n (5) Poud neznáme parametry jádra, určíme onstantu A změřením indučnosti cívy, tvořené něolia závity na jádře, a následným výpočtem. Napřílad pro deset závitů cívy o změřené indučnosti m bude platit m A = (6) 1 Pro minimální degradaci vlastností transformátoru na vysoých frevencích nesmí být veliost indučnosti větší, než je třeba. V praxi vyhovující hodnota je stanovena empiricým vztahem 4 R (7) πf min de R je zatěžovací impedance transformátoru, f min je nejnižší přenášený mitočet. Horní mezní frevence je určena délou vedení a poměrem mezi charateristicou impedancí a zatěžovací impedancí R. Počet závitů je pa omezen minimální přípustnou vlnovou délou na nejvyšší použité frevenci f. V praxi se déla volí do imální hodnoty l = c =,15λ, 15 (8) f Impedanci na vstupu linového transformátoru lze při znalosti zatěžovacího odporu R (obr.1) vypočítat podle vztahu 1 jr tg = vst R (9) 1 1 j tg r de β = π/λ, r je poměr charateristicé impedance a zatěžovacího odporu R, l je déla vedení, teré má zracovací činitel. Kompenzace transformátoru na dolním oraji mitočtového pásma Poud byla veliost indučnosti vinutí zvolena v souladu se vztahem (7), je vstupní impedance transformátoru na dolním oraji přenášeného mitočtového pásma rovna j = R j4r R 1 + (1) 4

4 Tento nedostate lze ompenzovat pomocí apacitorů C d, zapojených do obvodu transformátoru podle obrázu. Veliost apacitorů se volí podle vztahu C d = [F, H, Ω] (11) R U transformátorů s transformačním poměrem 1:n se veliost ompenzační apacity na výstupu musí n-rát snížit. C d R g Tr C h C h R U g C d Obr. Frevenční ompenzace linového transformátoru Kompenzace transformátoru na horním oraji mitočtového pásma Kompenzace na nejvyšší pracovní frevenci je nutná tehdy, je-li charateristicá impedance použitého vedení odlišná od požadované hodnoty. Kompenzace se provádí přidáním paralelního ondenzátoru na vstupní a výstupní svory transformátoru (obr. ). Oba ondenzátory mají stejnou hodnotu, terá je dána vztahem C h s tg = (1) s πf R tg de je požadovaná hodnota charateristicé impedance vedení, s je sutečná hodnota, f je imální frevence přenášená transformátorem a ostatní veličiny mají stejný význam jao ve vztahu (9). V praxi je nejlépe přesnou hodnotu apacit nastavit při onečném měření. Transformátor 1:4 Schéma asymetricého a symetricého provedení transformátoru 1:4 je na obrázu 3a) a 3b). Optimální charateristicá impedance vedení obou transformátorů je R. atímco impedanční poměr 1:4 je u symetricého transformátoru zachován praticy v celém frevenčním pásmu, pro vstupní impedanci asymetricého transformátoru platí vztah

5 cos + j sin R R vst = (13) R 1 + cos + j sin Poud je poměr /R > 1, je možné ompenzovat transformátor připojením ondenzátoru C h vst 1 + cos 1 + cos sin R = (14) πf R sin R přímo na vstupní svory transformátoru a ondenzátoru cos 1 + cos sin R C h výst = (15) β l 8πf R sin R na výstupní svory transformátoru. 4R R 4R R a) b) 3 Ω 3 Ω 75 Ω c) d) 75 Ω Obr.3 apojení transformačních členů 1:4, a) asymetricé provedení, b) symetricé provedení, c) a d) praticé apliace

6 Realizace transformátoru Vedení navineme na feritové nebo izolační dvouděrové jádro ta, aby se jednotlivé závity neřížily a byly co nejdále od sebe. Déla rozděleného vinutí na oncích vedení (přívody) musí být co nejratší, jina se zvětší rozptylové indučnosti a omezí přenos na vyšších frevencích. Vedení transformátoru propojíme podle obrázu a) b) Obr.4 Propojení vinutí linového transformátoru 1:4 Měření linových transformátorů Měření linových transformátorů se provádí pomocí impedančního analyzátoru. Transformátor připájíme do přípravu, terý obsahuje oaxiální onetor pro propojení s impedančním analyzátorem. Na výstupu se transformátor zatíží příslušnou impedancí (bezindučním rezistorem) a připojí se na vstup impedančního analyzátoru. Měříme frevenční závislost vstupní impedance a určíme optimální frevenční rozsah transformátoru. Podle následujících vztahů vypočteme činitel odrazu Γ a činitel stojatého vlnění PSV. m R Γ = (16) + R m 1 + Γ PSV = (17) 1 Γ de m je změřená vstupní impedance transformátoru a R je požadovaná vstupní impedance transformátoru (reálná). Doporučená literatura [1] Hilbers, A. H.: High-frequency Wideband Power Transformers. Philips Electronic Application, Vol. 3, 197, č., s