Transformatory szczytowe — zasada działania, urządzenie, przeznaczenie i zastosowanie

Istnieje specjalny rodzaj transformatora elektrycznego zwany transformatorem szczytowym. Transformator tego typu przetwarza napięcie sinusoidalne przyłożone do jego uzwojenia pierwotnego na impulsy o różnej biegunowości i tej samej częstotliwości co uzwojenie pierwotne napięcie sinusoidalne… Sinusoida jest tu podawana do uzwojenia pierwotnego, a impulsy są usuwane z uzwojenia wtórnego transformatora szczytowego.

Transformatory szczytowe są używane w niektórych przypadkach do sterowania urządzeniami wyładowczymi, takimi jak tyratrony i prostowniki rtęciowe, a także do sterowania tyrystorami półprzewodnikowymi i do innych specjalnych celów.

Zasada działania transformatora szczytowego

Działanie transformatora szczytowego opiera się na zjawisku nasycenia magnetycznego ferromagnetycznego materiału jego rdzenia. Wniosek jest taki, że wartość indukcji magnetycznej B w namagnesowanym ferromagnetycznym rdzeniu transformatora zależy nieliniowo od natężenia pola magnesującego H danego ferromagnetyka.

Tak więc przy niskich wartościach pola magnesującego H — indukcja B w rdzeniu najpierw szybko i prawie liniowo wzrasta, ale im większe pole magnesujące H, tym wolniej indukcja B w rdzeniu nadal rośnie.

I ostatecznie, przy wystarczająco silnym polu magnesującym, indukcja B praktycznie przestaje rosnąć, chociaż intensywność H pola magnesującego nadal rośnie. Ta nieliniowa zależność B od H charakteryzuje się tzw obwód histerezy.

Wiadomo, że strumień magnetyczny F, którego zmiana powoduje indukcję pola elektromagnetycznego w uzwojeniu wtórnym transformatora, jest równy iloczynowi indukcji B w rdzeniu tego uzwojenia przez pole przekroju S rdzeń uzwojenia.

Tak więc, zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej Faradaya, EMF E2 w uzwojeniu wtórnym transformatora okazuje się proporcjonalny do szybkości zmiany strumienia magnetycznego F przenikającego przez uzwojenie wtórne i liczby zwojów w nim.

Biorąc pod uwagę oba powyższe czynniki, można łatwo zrozumieć, że przy amplitudzie wystarczającej do nasycenia ferromagnesu w przedziałach czasu odpowiadających szczytom sinusoidy napięcia przyłożonego do uzwojenia pierwotnego transformatora szczytowego, strumień magnetyczny Φ w nim rdzeń w tych momentach praktycznie się nie zmieni.

Ale tylko w pobliżu momentów przejść sinusoidy pola magnesującego H przez zero strumień magnetyczny F w rdzeniu zmieni się dość ostro i szybko (patrz rysunek powyżej).A im węższa pętla histerezy rdzenia transformatora, tym większa jego przenikalność magnetyczna, a im wyższa częstotliwość napięcia przyłożonego do uzwojenia pierwotnego transformatora, tym większa szybkość zmiany strumienia magnetycznego w tych momentach.

Odpowiednio, w pobliżu momentów przejścia pola magnetycznego rdzenia H przez zero, biorąc pod uwagę, że prędkość tych przejść jest duża, na uzwojeniu wtórnym transformatora utworzą się krótkie impulsy w kształcie dzwonu o naprzemiennej biegunowości, ponieważ kierunek zmiana strumienia magnetycznego F inicjującego te impulsy również się zmienia.

Szczytowe urządzenie transformatorowe

Przekładniki szczytowe mogą być wykonane z bocznikiem magnetycznym lub z dodatkowym rezystorem w obwodzie zasilania uzwojenia pierwotnego.

Niewiele różni się rozwiązanie z rezystorem w obwodzie pierwotnym z klasycznego transformatora... Tylko tutaj szczytowy prąd w uzwojeniu pierwotnym (pobierany w przerwach, gdy rdzeń wchodzi w stan nasycenia) jest ograniczany przez rezystor. Projektując taki transformator szczytowy kierują się wymogiem zapewnienia głębokiego nasycenia rdzenia w szczytach półfal sinusoidy.

W tym celu należy dobrać odpowiednie parametry napięcia zasilającego, wartość rezystora, przekrój obwodu magnetycznego oraz liczbę zwojów w uzwojeniu pierwotnym transformatora. Aby impulsy były jak najkrótsze, do wykonania obwodu magnetycznego stosuje się magnetycznie miękki materiał o charakterystycznej wysokiej przenikalności magnetycznej, np. permaloid.

Amplituda odbieranych impulsów będzie bezpośrednio zależeć od liczby zwojów w uzwojeniu wtórnym gotowego transformatora. Obecność rezystora powoduje oczywiście znaczne straty mocy czynnej w takiej konstrukcji, ale znacznie upraszcza konstrukcję rdzenia.

Magnetyczny transformator bocznikowy ograniczający prąd szczytowy jest wykonany na trójstopniowym obwodzie magnetycznym, w którym trzeci pręt jest oddzielony od pierwszych dwóch prętów szczeliną powietrzną, a pierwszy i drugi pręt są ze sobą zamknięte i przenoszą prąd pierwotny i uzwojenia wtórne.

Kiedy pole magnesujące H wzrasta, zamknięty obwód magnetyczny najpierw nasyca się, ponieważ jego opór magnetyczny jest mniejszy. Przy dalszym wzroście pola magnesującego strumień magnetyczny F jest zamykany przez trzeci pręt - bocznik, podczas gdy reaktywność obwód nieznacznie się zwiększa, co ogranicza prąd szczytowy.

W porównaniu do konstrukcji z rezystorem straty czynne są tu mniejsze, choć konstrukcja rdzenia okazuje się nieco bardziej skomplikowana.

Aplikacje z transformatorami szczytowymi

Jak już zrozumiałeś, transformatory szczytowe są niezbędne do uzyskania krótkich impulsów sinusoidalnego napięcia przemiennego. Otrzymane tą metodą impulsy charakteryzują się krótkim czasem narastania i opadania, co umożliwia wykorzystanie ich do zasilania elektrod sterujących, np. tyrystorów półprzewodnikowych, tyratronów próżniowych itp.