Материал: Попов Э.Г. Основы аналоговой техники. Учеб. пособие для студ. радиотехнических спец

плитуду неискаженного выходного напряжения. При необходимости трансформатор позволяет получить полную гальваническую развязку между каскадом и нагрузкой или источником сигнала и входом усилителя. С помощью трансформатора несимметричный сигнал легко преобразуется в симметричный. Использование трансформатора позволяет легко выполнить условия выбора наилучшей величины нагрузки, необходимые для оптимальной работы каскада. Принципиальная схема каскада с трансформатором в выходной цепи представлена на рис. 4.25, а.

Рис. 4.25

Однако использование трансформатора в качестве элемента связи обладает существенными недостатками, значительно ограничивающими область его применения. К этим недостаткам можно отнести: большие габариты, вес и стоимость трансформатора, сравнительно узкую полосу пропускания и большие частотные и фазовые искажения, чувствительность трансформаторного каскада к воздействию мешающих электромагнитных полей.

Принципиальная схема трансформатора представлена на рис. 4.25, б. Усилительные свойства транзистора уже были рассмотрены выше. Поэтому рассмотрим здесь лишь свойства трансформатора, выступающего в качестве четырехполюсника связи. Выходная цепь транзистора на этой схеме представлена эквивалентным генератором ЭДС ЕИ с внутренним сопротивлением RИ.

Если в трансформаторе отсутствуют потери, то мощность на его выходе не будет отличаться от мощности на входе:

166

P1 = P2 , U1I1 = U2I2 .

Отсюда

где W1,W2 - число витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора; n - коэффициент трансформации.

Входное сопротивление трансформатора, нагруженного на сопротивление R2, равно RВХ = U1/I1. Используя (4.65), заменим U1 и I1 на U2 и I2:

Таким образом, сопротивление, находящееся в цепи вторичной обмотки трансформатора, может быть пересчитано в первичную обмотку путем деления его на n2. Аналогично можно привести к первичной обмотке сопротивления емкости ХС или индуктивности ХL, которые также могут находиться в цепи вторичной обмотки. При этом сама величина емкости умножается, а индуктивности делится на n2:

Для того чтобы привести к первичной обмотке (пересчитать в первичную обмотку) напряжения и токи, действующие во вторичной обмотке, напря-

Рис.4.26

С учетом (4.78) эквивалентная схема трансформатора приобретает следующий вид

(рис. 4.26). На этой схеме:

167

EИ, RИ - генератор сигнала и его внутреннее сопротивление (в качестве генератора может выступать непосредственно - источник сигнала или выходная цепь усилительного элемента);

r1 - сопротивление потерь в первичной обмотке трансформатора (активное сопротивление первичной обмотки);

LS1 - индуктивность рассеивания первичной обмотки (характеризует потери в первичной обмотке трансформатора за счет рассеивания электромагнитного поля);

L1 - индуктивность первичной обмотки;

rC - сопротивление, характеризующее потери в сердечнике за счет токов

Фуко;

L'S2= LS2/n2 - приведенная индуктивность рассеивания вторичной обмотки;

R'2= R2/n2 - приведенное сопротивление нагрузки;

r'2= r2/n2 - приведенное сопротивление потерь во вторичной обмотке; C'Н = CН n2 - приведенная емкость нагрузки;

U'2=U2/n - приведенное выходное напряжение; I'2=I2n - приведенный выходной ток.

Следует отметить, что эквивалентная схема (см. рис. 4.26) является приближенной и не отражает в полной мере все свойства трансформатора. Так, емкость C'Н имеет довольно сложную структуру. Она состоит из распределенной емкости первичной обмотки, приведенной распределенной емкости вторичной обмотки, приведенной емкости непосредственно нагрузки и емкостей монтажа цепей первичной и вторичной обмоток. Элементы СН, LS1, LS2, r1, r2 и rC имеют распределенную структуру, а на схеме представлены как сосредоточенные. Кроме того, в рассматриваемой схеме не учитывается емкостная связь между витками первичной и вторичной обмоток. Однако для области частот, в которой трансформатор обычно используется как элемент связи, эта схема позволяет с достаточной точностью оценить его передаточные свойства, найти его частотную и фазовую характеристики, определить полосу пропускания и граничные частоты.

В предложенном на рис. 4.26 виде эквивалентная схема слишком сложна для анализа. Для упрощения исследования примем несколько допущений. Так, без особого ухудшения точности анализа из схемы можно исключить высоко-

168

омное сопротивление rC, так как потери в магнитном сердечнике трансформатора связи сравнительно невелики, т.е. по нему протекает незначительный ток, которым можно пренебречь.

Рис.4.27

Индуктивности LS1, L'S2 имеют небольшую величину, и их влияние на частотную характеристику становится заметным только в области высоких частот. Напротив, индуктивность L1 благодаря своей большой величине оказывает влияние на работу схемы в области низких частот и не влияет на высоких частотах. В этих условиях можно объединить индуктивности LS1, L'S2 и заменить их одной индуктивностью LS = LS1+ L'S2 . С учетом предложенных выше допущений эквивалентная схема трансформатора примет вид, изображенный на рис. 4.27.

4.5.2. Поведение трансформаторного каскада в области средних частот

Для области средних частот схема (см. рис. 4.27) принимает следующий

вид:

Рис. 4.28

На рис. 4.28 отсутствуют все частотно-зависимые элементы, так как их сопротивления в области средних частот не влияют на протекание токов. Действительно, индуктивности рассеивания очень малы и могут быть заменены

169

коротким замыканием. Индуктивность первичной обмотки имеет довольно большую величину, и ее сопротивление для области средних частот стремится к бесконечности. Сопротивление емкости C'Н на средних частотах достаточно велико, чтобы считать ток сигнала, протекающий по этой емкости, бесконечно малым и пренебречь им. Следовательно, емкость C'Н можно исключить из эквивалентной схемы для области средних частот.

Коэффициент передачи для схемы на рис. 4.28 равен

Как следует из (4.68), при сопротивлении R2, стремящемся к бесконечности, К0Е становится равным n. Во всех остальных случаях эта зависимость носит экстремальный характер. Исследуем (4.68) на экстремум и найдем nopt , при

котором коэффициент передачи будет максимальным:

Таким образом, максимальный коэффициент передачи для схемы на рис. 4.28 достигается в режиме согласования, когда активное сопротивление, подключенное к первичной обмотке трансформатора, равно приведенному активному сопротивлению во вторичной обмотке.

4.5.3. Поведение трансформаторного каскада в области низких частот

Для области низких частот индуктивность LS имеет очень малое сопротивление и может быть заменена коротким замыканием. Емкость C'Н из-за сравнительно малой величины обладает очень большим сопротивлением и может быть исключена из эквивалентной схемы.

Эквивалентная схема трансформатора для области низких частот представлена на рис. 4.29.

170