Transformer

Transformer (også enfaset transformer ^[1] ) er en induktiv komponent i kommunikationsteknologi . Konstrueret på lignende måde som en transformer adskiller den sig ved, at den normalt har samme antal primære og sekundære viklinger og udelukkende bruges til kraftløs signaloverførsel.

Transformatorer er optimeret til kraftoverførsel med den højest mulige grad af effektivitet og opnår dette kun i et snævert frekvensbånd (f.eks. Fra 50 Hz til 400 Hz). I modsætning hertil bruges sendere til relativt bredbåndsinformationsoverførsel med den højest mulige signalkvalitet. Afhængigt af anvendelsesområdet navngives transformatorer specifikt, f.eks. B. som lydsender eller balanceringssender inden for lydteknologi, som matchende sender inden for lyd- og RF -teknologi eller som pulssender inden for digital teknologi. Her er almindelige, selv navnene pulstransformator eller impulstransformator, da disse særlige transformere, såsom transformere, er optimeret til kun et relativt smalt frekvensområde, der stort set ligner hinanden.

Grundlæggende

Begge typer transformere (til strøm og signaloverførsel) arbejder efter de samme principper, men de udfører forskellige opgaver og adskiller sig i deres konstruktion. I tilfælde af transformatorer til kraftoverførsel er effektivitet (effektivitetsgrad) primært vigtig, mens det for transformere er bedst muligt at bevare signalformen vigtig. Vigtige egenskaber ved en transformer til analoge applikationer inkluderer dens linearitet og den lavest mulige forvrængning . På det engelske sprog bruges et præfiks til at skelne mellem transformer og transformer ; Transformatorer, der bruges i lydteknologi, kaldes lydtransformatorer . Til digital signaloverførsel, såsom i Ethernet -grænseflader på engelsk, bruges udtrykket pulstransformator, den tyske pulstransformator.

Anvendelsesområder

SMD -transformer af typen TG110, som brugt med Ethernet -interfaces. Komponent ovenfra (venstre) og nedenunder (højre)

Senderen er indbygget i Ethernet -forbindelsen

Transformatorer bruges blandt andet:

til at matche bølgeimpedansen af et fjernkabel til udgangsimpedansen for vekseludstyret eller kabeldriveren
til at matche bølgeimpedansen af et koaksialkabel til en antenne ; se resonans transformer
til galvanisk isolering af højfrekvente forbindelsespunkter ( overspændingsbeskyttelse , beskyttelse mod utilsigtet kontakt)
til galvanisk adskillelse af lydsignaler, til adskillelse af brumsløjfer (linjetransformator)
til afbalancering af elektriske signaler (mikrofonkabler, antenneforbindelser); se balun , balun , DI boks
til adskillelse af vekselstrømskomponenten (signalkomponenten) i et signal, der repræsenterer en blandet strøm med en jævnstrømskomponent, ofte også med tilpasning
til afbalancering og til spændingsjustering . ( Interface ) af inputmodstand eller outputimpedans inden for lydteknik ; R _i ≪ R _a
til transformering af den lave mikrofonspænding og til galvanisk adskillelse af mikrofon og forforstærker i mikrofonindgangstransformatoren
til dannelse af fantomtalecirkler (flere brug af signallinjer i telefonkabler)
at matche impedansen af et rørforstærkerstadium til impedansen for højttaleren (udgangstransformator) eller det næste trin (mellemtransformator)
som en tændingstransformator til overførsel af tændpulsen for tyristorer fra styrekredsløbet til belastningskredsløbet (med potentiel adskillelse og muligvis impedansmatchning)
Tændingstransformator til flashlamper (spændingstransformation, ingen potentiel adskillelse)
Signalsender til styring af halvledere (firkantbølgesignaler til MOSFET , bipolare transistorer , IGBT ) i strømforsyninger med omskiftet tilstand , omformere og frekvensomformere : potentiel adskillelse
Signalsender i lokale netværk ( LAN , Ethernet ), blandt andet til potentiel adskillelse og balancering

Design

Transformator med grydekerne

Designene er stort set de samme som for transformere til kraftoverførsel.

Nogle af de særlige funktioner er:

Viklingerne er bifilar eller trifilar (indlejret) for at holde lækageinduktansen lille (stigning af den øvre grænsefrekvens)
Meget permeable kernematerialer anvendes ( mu-metal , stærkt permeable ferritter ) for at holde den nedre grænsefrekvens lav.

For højfrekvente transformatorer kræves ferritkerner til høje frekvenser. Ofte bruges dobbelt-hulkerner fra VHF-frekvensområdet.

Andre typiske kerneformer er ferrit toroidale kerner og skalkerner.

Ved høje frekvenser - fra de højere kortbølgefrekvenser - bruges en kerne af ferromagnetisk materiale ofte ikke til spolerne . Sådanne transducere består af to luftkernespoler , der enten er indlejret inde i hinanden eller aksialt fastgjort til hinanden. I sidstnævnte design er der også designs, hvor den anden spole er roterbart arrangeret, til. B. at tilpasse koblingen af de to spoler til impedansen på antennen på en detektormodtager eller radiosender.

Ved endnu højere frekvenser kan de to "viklinger" også bestå af kun et parallelt par ledninger (med og uden kerne).

Biaxialt orienteret polyesterfilm, der bruges i transformere, isolerer mellem 1,3 og 3,6 kV afhængigt af versionen og er kun resistent op til 130 ° C. Med 5 kV isolationsstyrke limes tre lag oven på hinanden. I tilfælde af transformere i strømforsyninger i switch-mode kan der undværes en termisk sikring, da ledningsmodstanden ikke justeres og varmes op i tilfælde af kortslutning, men snarere udløser opstrømsikringen. Sådanne transformatorer har kun 19 til 40 omdrejninger af den tilsvarende trådstørrelse.

teori

Den vigtigste egenskab ved transformere er strøm- eller spændingstransformationsforholdet: ^[2]

{\frac {U_{1}}{U_{2}}}={\frac {n_{1}}{n_{2}}}={\ddot {u}}\,

{\ displaystyle {\ frac {U_ {1}} {U_ {2}}} = {\ frac {n_ {1}} {n_ {2}}} = {\ ddot {u}} \,}

{\ frac {U_ {1}} {U_ {2}}} = {\ frac {n_ {1}} {n_ {2}}} = {\ ddot {u}} \,

{\frac {-I_{2}}{I_{1}}}={\ddot {u}}\,

{\ displaystyle {\ frac {-I_ {2}} {I_ {1}}} = {\ ddot {u}} \,}

{\ displaystyle {\ frac {-I_ {2}} {I_ {1}}} = {\ ddot {u}} \,}

{\frac {I_{1}}{-I_{2}}}={\frac {n_{2}}{n_{1}}}\,

{\ displaystyle {\ frac {I_ {1}} {- I_ {2}}} = {\ frac {n_ {2}} {n_ {1}}} \,}

{\ displaystyle {\ frac {I_ {1}} {- I_ {2}}} = {\ frac {n_ {2}} {n_ {1}}} \,}

med

n_{1}

{\ displaystyle n_ {1}}

n_ {1}

= Antal spoleomdrejninger for primærviklingen

n_{2}

{\ displaystyle n_ {2}}

n_ {2}

= Antal omgange af sekundærviklingen

{\ddot {u}}

{\ displaystyle {\ ddot {u}}}

{\ displaystyle {\ ddot {u}}}

= Transmissionsforhold eller forholdet mellem antallet af omdrejninger

U_{1}

{\ displaystyle U_ {1}}

U_ {1}

og

U_{2}

{\ displaystyle U_ {2}}

U_ {2}

er den primære og sekundære spænding og

I_{1}

{\ displaystyle I_ {1}}

I_ {1}

og

I_{2}

{\ displaystyle I_ {2}}

I_ {2}

den primære og sekundære strømstyrke .

Forholdet mellem primær og sekundær impedans kan beregnes ud fra kvadratet af transformatorens transformationsforhold:

R_{1}=R_{2}\left({\frac {n_{1}}{n_{2}}}\right)^{2}

{\ displaystyle R_ {1} = R_ {2} \ venstre ({\ frac {n_ {1}} {n_ {2}}} \ højre) ^ {2}}

{\ displaystyle R_ {1} = R_ {2} \ venstre ({\ frac {n_ {1}} {n_ {2}}} \ højre) ^ {2}}

eller

R_{2}=R_{1}\left({\frac {n_{2}}{n_{1}}}\right)^{2}

{\ displaystyle R_ {2} = R_ {1} \ venstre ({\ frac {n_ {2}} {n_ {1}}} \ højre) ^ {2}}

{\ displaystyle R_ {2} = R_ {1} \ venstre ({\ frac {n_ {2}} {n_ {1}}} \ højre) ^ {2}}

Det transformationsforhold, der kræves for en impedans -transformation, kan derfor beregnes som følger:

{\ddot {u}}={\frac {n_{1}}{n_{2}}}={\sqrt {\frac {R_{1}}{R_{2}}}}

{\ displaystyle {\ ddot {u}} = {\ frac {n_ {1}} {n_ {2}}} = {\ sqrt {\ frac {R_ {1}} {R_ {2}}}}}

{\ displaystyle {\ ddot {u}} = {\ frac {n_ {1}} {n_ {2}}} = {\ sqrt {\ frac {R_ {1}} {R_ {2}}}}}

{\ddot {u}}^{2}={\frac {R_{1}}{R_{2}}}

{\ displaystyle {\ ddot {u}} ^ {2} = {\ frac {R_ {1}} {R_ {2}}}}

{\ displaystyle {\ ddot {u}} ^ {2} = {\ frac {R_ {1}} {R_ {2}}}}

R_{1}={\ddot {u}}^{2}\cdot R_{2}

{\ displaystyle R_ {1} = {\ ddot {u}} ^ {2} \ cdot R_ {2}}

{\ displaystyle R_ {1} = {\ ddot {u}} ^ {2} \ cdot R_ {2}}

eller

R_{2}={\frac {R_{1}}{{\ddot {u}}^{2}}}

{\ displaystyle R_ {2} = {\ frac {R_ {1}} {{\ ddot {u}} ^ {2}}}}

{\ displaystyle R_ {2} = {\ frac {R_ {1}} {{\ ddot {u}} ^ {2}}}}

En anden vigtig parameter for mange signalsendere er integrationen af spændingen over tid, indtil kernen mætter . Det kaldes spændingstidsområdet eller spændingstidsproduktet, også fordi spændingskurverne for mange transformere er rektangulære. Det bestemmes af længden af et firkantbølgesignal , der stadig kan transmitteres ved en given spænding.

Spændingstidsproduktet (enhed volt-sekund ) beregnes ud fra induktansen L og mætningsstrømmen jeg _sad :

\int u(t)\mathrm {d} t=L\cdot I_{\mathrm {sat} }

{\ displaystyle \ int u (t) \ mathrm {d} t = L \ cdot I _ {\ mathrm {sat}}}

{\ displaystyle \ int u (t) \ mathrm {d} t = L \ cdot I _ {\ mathrm {sat}}}

Spændingskurven kan have positive og negative delområder. For en rektangulær spændingskurve, der starter fra kerneinduktionsnullen, er integralet forenklet til

U\cdot t=L\cdot I_{\mathrm {sat} }

{\ displaystyle U \ cdot t = L \ cdot I _ {\ mathrm {sat}}}

{\ displaystyle U \ cdot t = L \ cdot I _ {\ mathrm {sat}}}

Under en firkantet puls $U\cdot t$ ${\ displaystyle U \ cdot t}$ ${\ displaystyle U \ cdot t}$ strømmen stiger i første omgang gradvist for kun at fortsætte med at stige meget stejlt, når kernemætning forekommer. Dette får spændingen til at falde sammen, og formen på et firkantbølgesignal er forfalsket. Af denne grund bruges kernematerialer med et højt permeabilitetstal til sådanne transformere (f.eks. Til styring af MOSFET -strømforsyninger ).

Ofte skal der tages hensyn til en positiv eller negativ indledende magnetisering (integrationskonstant), som skyldes en strøm $I_{\mathrm {0} }$ ${\ displaystyle I _ {\ mathrm {0}}}$ ${\ displaystyle I _ {\ mathrm {0}}}$ er givet, som flyder i starten af integrationen. Det maksimale spændings-tid-område bestemmer også den nedre transmissionsfrekvensgrænse for et AC-spændingssignal. Middelværdien af magnetfluxen og middelstrømmen sættes til nul: slutværdien af integralen af den foregående halvbølge integreres først. Minimumsfrekvensen kan derfor være lavere end tidsintegralen for halvbølgen af denne vekselstrøm, der er lig med spændingstidsproduktet.

Yderligere parametre for transformere vedrører den parasitære induktans og kapacitans. Førstnævnte er lækageinduktansen (må ikke forveksles med lækagefeltet), som er forårsaget af feltkomponenterne i den magnetiske flux, der passerer viklingerne. Det er vigtigt for den nøjagtige transmission af komponenter med højere frekvens og bør være så lav som muligt, dvs. du vil have en høj koblingsfaktor. Det forbedres ved indlejrede viklinger og en lille afstand mellem viklingerne. Bifilar -viklinger er også almindelige. Imidlertid er den stigende kapacitans af viklingerne på grund af de to viklingers lokale nærhed ligeledes uønsket. Da afstanden er angivet ved isoleringens tykkelse og derfor ikke kan være så lille som ønsket, er høj isolationsstyrke, høj koblingsfaktor og lav parasitisk kapacitans vanskelig at opnå sammen.

Se også

Weblinks

Commons : sender - samling af billeder, videoer og lydfiler

Senderen, den ukendte er jogis-roehrenbude.de

Individuelle beviser

↑ I: Elektroteknik. Kommunikationselektronikborde. Formelsamling. Westermann Schulbuchverlag, 3. udgave 2002. Side 57
↑ Ing: GdE: Modeller af transformatoren på Wikibooks

[1] I: Elektroteknik. Kommunikationselektronikborde. Formelsamling. Westermann Schulbuchverlag, 3. udgave 2002. Side 57

[2] Ing: GdE: Modeller af transformatoren på Wikibooks

[1]

[2]