В настоящем курсе рассматриваются радиоустройства и их узлы, которые работают на постоянном токе или токе промышленной частоты и не связаны непосредственно с преобразованием радиосигнала и выделением несомой им информации, т. е. обеспечивают работоспособность всех входящих в систему радиоустройств и их согласованное функционирование. К таким узлам и устройствам относятся электрические двигатели и генераторы, обеспечивающие перемещение отдельных узлов или самих радиоустройств (например, антенн), формирование сигналов, используемых при управлении звеньями радиосистемы (например, источники питания радиоустройств).

Широкое внедрение цифровой техники в радиотехнические устройства и конструирование их на микроэлектронной базе приводит к относительному сокращению числа электротехнических устройств, входящих в радиотехнические системы. Вместе с тем в связи с функциональным усложнением радиоустройств и с более высокими требованиями к-качеству электропитания такие электротехнические устройства, как источники питания, становятся более важным и соответственно более сложным звеном радиосистемы и радиоустройства. Основное внимание в данной книге уделено вторичным источникам питания радиоустройств.

Вторичный источник питания является сложным не только по своему составу, но и по характеру протекающих в нем процессов. Например, в импульсных стабилизаторах и преобразователях напряжения приходится считаться с инерционностью даже самых быстродействующих транзисторов, что во многом определяет характеристики вторичного источника питания. Источники питания в свою очередь в значительной степени влияют на характеристики самого радиоустройства.

Необходимо также отметить, что вторичный источник питания в некоторых радиоустройствах занимает ДО 70% их массы и объема. Поэтому улучшение массогабаритных показателей радиоустройств не может быть достигнуто без соответствующих показателей источника питания.

Цель курса Электротехнические устройства радиосистем - не только ознакомить учащихся с типовыми схемами, но и научить выбирать режим работы отдельных элементов схемы, а также правильно пользоваться расчетными соотношениями. Поэтому в книге даны выводы расчетных соотношений и примеры расчета.

Не все разделы пособия в одинаковой степени насыщены расчетными формулами н выкладками, потому что не все описываемые устройства радиоинженер должен рассчитывать сам. С частью из них он должен быть знаком лишь настолько, чтобы при проектировании системы сделать правильный заказ инженерам других специальностей, а для части устройств радиоинженеру достаточно знать выходные и эксплуатационные характеристики.

Глава I

Трансформаторы и дроссели

§ 1.1. Основные сведения

Трансформаторы и дроссели, представляющие собой катушкн с ферромагнитным сердечником, широко применяют в различных радиоустройствах для преобразований переменных и пульсирующих токов. Среди радиодеталей они выделяются своими габаритами и массой. Поэтому при стремлении уменьшить габариты радиоустройства необходимо в первую очередь подумать о снижении габаритов трансформаторов и дросселей, для чего требуется тщательное проектирование или подбор этих элементов цепи исходя из конкретных условий их работы в данном радиоустройстве.

Из-за нелинейности кривой намагничивания ферромагнитного сердечника индуктивное сопротивление катушки зависит от величины и формы переменного напряжения и от величины постоянного тока подмагничивания, протекающего по обмоткам. Этим трансформаторы и дроссели отличаются от резисторов и конденсаторов, которые в силу линейности своих вольт-амперных характеристик работают, не меняя показателей в широком диапазоне приложенных к ним напряжений.

Расчет трансформаторов и дросселей, как и других катушек с ферромагнитным сердечником, проводится на основе двух законов. Первый из них - это зако.н эл.ектромагнитной индукции, определяющий э. д. с, возникающую в катушке как производную от потокосцепления г|5 по времени;

(1.1)

где w - число витков обмотки; Ф - магнитный поток в сердечнике.

Вторым является закон, полного тока, определяющий напряженность магнитного поля Н как функцию полного тока St:

(1.2)

где / - замкнутый контур интегрирования; dl - элемент длины этого контура; 2i - полный ток, протекающий через площадь, ограниченную контуром.

Связь между напряженностью магнитного поля и магнитным потоком в сердечнике определяется магнитными свойствами сердечника. =и свойства обычно представляются семейством сложных кривых, называемых петлями гистерезиса, которые изображают ависимость напряженности магнитного поля, созданного в сердеч-

нпкс и, и возникшей прн этом магнитной индукции В. Каждая из кривых семейства соответствует определенному значению амплитуды магнитной индукции В, . Предельная петля гистерезиса получается при амплитуде вызывающей полное насыщение сердечника.

Для каждой из амплитуд В, конфигурация петель гистерезиса зависит от скорости перемагничивания сердечника, т. е. от формы папряженг1я сети и его частоты. Поэтому при расчетах следует

пользоваться характеристикой магнитного материала сердечника,

Рис.. 1.1

снятой для условий, совпадающих или близких к имеющимся в рассчитываемой электрической цепи.

Вид семейства кривых рис. 1.1, а характерен для электротехнических сталей. Материалы типа пермаллой имеют петлю гистерезиса, близкую к прямоугольной (рис. 1.1, б).

Основное применение е цепях переменного тока нашли магнитные материалы с узкой петлей гистерезиса. В этой связи в приближенных расчетах часто пользуются не самой петлей гистерезиса, а основной, кривой намагничивания - линией, соединяющей вершины всех частных петель гистерезиса (рис. 1.1, а). Иногда пользуются передней кривой намагничивания - линией, проходящей через средние точки хорд петли гистерезиса, проведенных параллельно оси напряженностей магнитного поля (рис. 1.1, б).

Рассчитаем ток в катушке с тороидальным замкнутым сердечником (рис. 1.2), имеющей число витков w и подключенной к напряжению бс, меняющемуся с периодом Т. На основе закона электромагнитной индукции определяем магнитный поток в сердечнике. Предположим, что поток магнитной- индукции распределен по сечению сердечника равномерно, и магнитная проницаемость материала сердечника настолько велика, что весь магнитный поток сосредоточен в самом сердечнике.

В этом случае э. д. с, возбуждаемая в обмотке и определяемая формулой (1.1), может быть записана несколько иначе:

(1.3)

Рис. 1.2

Рде 5 - площадь сечения сердечника; В - магнитная индукция.

Приложенное к катушке напряжение и наведенная в ней э. д. с. уравновешиваются падением напряжения на омическом сопротивлении ее обмотки:

e,-\-e = ir. (1-4)

При большой добротноети катушки наведенная э. д. с. много больше падения напряжения ir, что позволяет записать:

e,wS§. (1.5)

В течение той части периода, когда напряжение положительно, индукция возрастает. При отрицательных значениях напряжения индукция падает.

Для наиболее употребительных форм напряжений, характеризующихся функцией, во-первых, нечетной, и, во-вторых, симметричной относительно оси абсцисс при совмещении двух полупериодов во времени, изменение индукции в течение отрицательного полупериода происходит от В^ до -Вт, а в течение положительной полуволны от -Вт до Вт (рис. 1.3). За полупериод индукция меняется на удвоенную амплитуду. Поэтому на основании формулы (1.5) запишем:

\e,dt=wS \ dB=2wSBm. (1.6)

Интеграл, стоящий в левой части полученного равенства, определяет среднее (за полупериод) значение напряжения сети fjp, чину полупериода, так как по определению

т/г

умноженное на вели-

(1.7)

Следовательно,

£ср = 4ш55, /Г.

. (1.8)

Более удобным при расчетах является не среднее, а действующее значение напряжения

eldt.

(1.9)

Связь между действующим и средним значением переменного напряжения устанавливается коэффициентом формы кривой k, причем

kElE,. (1.10)

Заменив в (1.8) среднее напряжение на действующее, получим ту форму записи закона электромагнитной индукции, которая удобна для расчета катушек с -ферромагнитным сердечником:

EklwSBm. (1.11)

Этот закон позволяет определить амплитуду изменения индукции В, , т. е. определить ту петлю гистерезиса или тот участок кривой намагничивания, по которому перемещается рабочая точка. В это выражение для получения напряжения в вольтах следует подставлять индукцию Б теслах, а площадь сечения - в квадратных метрах.

Для напряжения прямоугольной формы значение коэффициента формы-кривой равно единице. Для гармонического напряжения с амплитудой Ет, следуя определению, вычислим

/2Я

Ет sin2 со й(л1

Е'т lm 1 11

.(1.12)

Ет sin at dat

Для напряжения пилообразной формы (рис. 1-4)на° е вычисления дают значение коэффициента формы, равное 1,16 . График

Рис. 1.4

Рис. 1.5

изменения индукции в течение периода состоит из двух отрезков парабол.

Если амплитуда Ет мала и рабочий участок кривой намагничивания линеен, то напряженность магнитного поля повторяет во времени закон изменения индукции:

H{t) = B{t)lyi, (I.I3)

где \1 = dB/dt - дифференциальная магнитная проницаемость.

По найденному значению Н (/) легко определить и ток, протекающий по катушке. Выберем контур интегрирования для (1.2), совпадающий со средней линией сердечника и имеющий длину 4р. Напряженность магнитного поля в каждой точке этого контура одинакова

по величине и направлена по касательной к окружности. Поэтому при интегрировании получим

Hit)U = i{t)w. (1.14)

Отсюда находим ток-

i{t) = B{t)h,/iiiw), (1.15)

который повторяет по форме кривые Н (t) и В (/).

Для напряжения прямоугольной формы изменения индукции во времени (рис. 1.5) происходят по пилообразному закону с амплитудой -

Bm = E/{4fSw). (1.16)

По рабочему участку кривой намагничивания В = f (Я), который для данной величины В^ принят линейным, находим Н как функцию времени. Ток в обмотке, возбуждающий индукцию В (/), также имеет пилообразную форму и амплитуду:

1т = Bmh,/{IXW) = El,/{4lxfSw% (1.17)

При гармоническом напряжении (/) изменения индукции получаются тоже гармоническими, но отстают по фазе на угол я/2. Ток катушки, совпадающий по фазе с индукцией, получается чисто индуктивным и имеет амплитуду

с другой стороны, на основании закона Ома, для амплитуды гармонического тока имеем

Im = Ej{o)L)V2E/{L), (1.19)

где L - индуктивность катушки с сердечником.

Сравнив (1.18) и (1.19), получаем формулу для подсчета индуктивности тороидальной катушки:

L = iiwS/l,p. (1.20)

В тех случаях, когда амплитуда индукции В„, получается значительной, рабочий участок кривой намагничивания уже нельзя считать линейным. Нахождениеформы тока в этом случае усложняется.

Исходным для расчетов является график кривой намагничивания. Поэтому нахождение формы кривой тока удобно производить графически с помощью построений, показанныхна рис.-1.6 для синусоидального напряжения (/).

Двум значениям амплитуды напряжения сети Emi и Е^ соответствуют амплитуды изменения индукции Bi и 52-

Определив по кривой намагничивания -значения напряжённости магнитного поля для угла со/, получаем ординаты Hi и Н^. Аналогичные построения для других значений W позволяют найти графики изменения (/) и (t), которые в масштабе, определяемом /ср и w,