RU2619087C2

RU2619087C2 - Circular ferromagnetic core of high-frequency transformer, extended along cylinder axle

Info

Publication number: RU2619087C2
Application number: RU2014151501A
Authority: RU
Inventors: Александр Александрович Бабушкин; Георгий Борисович Жегалов; Юрий Львович Носов; Валентин Васильевич Полевой; Алексей Михайлович Соколов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Российский институт мощного радиостроения"
Priority date: 2014-12-18
Filing date: 2014-12-18
Publication date: 2017-05-11
Also published as: RU2014151501A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: in cylindrical ferromagnetic core, two equal parts are separated along the length. On each of the core parts, additional windings are arranged, interconnected counter-consistently. Wherein the number of coils in the additional windings is chosen the same.

EFFECT: alignment of the magnetic field in different parts of the core of the transformer device when it operates near a coherent source of a strong magnetic field.

2 cl, 3 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнике, в частности, может быть применено при построении радиопередающих устройств KB и УКВ диапазонов.The present invention relates to radio engineering, in particular, can be applied in the construction of radio transmitting devices KB and VHF bands.

Известны широкополосные трансформаторы, которые часто используются при построении мощных усилительных каскадов широкополосных радиопередающих устройств. При большом уровне выходной мощности трансформаторы часто выполняют, используя отрезки коаксиальных кабелей. Если наружный проводник (оплетка) какого-либо отрезка коаксиального кабеля, входящего в состав трансформатора (или устройства суммирования мощности), на входных и выходных зажимах подключен к точкам с различными потенциалами, кабель необходимо снабжать ферромагнитным сердечником с тем, чтобы уменьшить ток, протекающий по наружной поверхности оплетки кабеля (см. Проектирование радиопередающих устройств с применением ЭВМ. Под ред. Алексеева О.В. - М.: Радио и связь, 1987, рис. 3.22, 3.29).Known broadband transformers, which are often used in the construction of powerful amplification stages of broadband radio transmitting devices. With a high level of output power, transformers are often performed using pieces of coaxial cables. If the outer conductor (braid) of any segment of the coaxial cable included in the transformer (or power summation device) is connected to points with different potentials at the input and output terminals, the cable must be equipped with a ferromagnetic core in order to reduce the current flowing through the outer surface of the cable sheath (see Design of radio transmitting devices using computers. Edited by OV Alekseev - M.: Radio and Communications, 1987, Fig. 3.22, 3.29).

При конструировании широкополосных трансформаторов относительно небольшой мощности применяется метод намотки отрезков коаксиальных кабелей на кольцевые ферромагнитные сердечники (см. Проектирование радиопередающих устройств с применением ЭВМ. Под ред. Алексеева О.В. - М.: Радио и связь, 1987, рис. 3.29, а). Преимуществом использования такого решения является локализация магнитного поля катушки в ограниченном кольцевом пространстве. Причем, чем больше тороидальная поверхность сердечника заполнена обмоткой, тем меньшая часть магнитного поля катушки будет располагаться вне тороидального объема.When designing broadband transformers of relatively low power, the method of winding segments of coaxial cables onto circular ferromagnetic cores is used (see Designing of radio transmitting devices using computers. Edited by O. Alekseev - M .: Radio and Communications, 1987, Fig. 3.29, a ) The advantage of using such a solution is the localization of the magnetic field of the coil in a limited annular space. Moreover, the larger the toroidal surface of the core is filled with a winding, the smaller the magnetic field of the coil will be located outside the toroidal volume.

По мере увеличения мощности устройства, т.е. мощности, проходящей по кабелю, радиус изгиба кабеля в процессе монтажа необходимо увеличивать (в соответствии с монтажными требованиями по использованию кабеля), и если число витков, требуемое для получения необходимого значения индуктивности намагничивания, становится меньше двух, надобность в кольцевой конструкции трансформатора отпадает (при ограниченной длине проводника его индуктивность будет максимальна при отсутствии изгибов). В этом случае конструкция трансформатора вырождается в прямолинейный отрезок кабеля, продетый сквозь ферритовый цилиндр, составленный из кольцевых сердечников (см. Проектирование радиопередающих устройств с применением ЭВМ. Под ред. Алексеева О.В. - М.: Радио и связь, 1987, рис. 3.29, 6).As the power of the device increases, i.e. the power passing through the cable, the bending radius of the cable during installation must be increased (in accordance with the installation requirements for the use of the cable), and if the number of turns required to obtain the required magnetization inductance becomes less than two, the ring transformer is no longer needed (with the limited length of the conductor, its inductance will be maximum in the absence of bends). In this case, the design of the transformer degenerates into a straight segment of the cable threaded through a ferrite cylinder made up of ring cores (see Design of radio transmitting devices using computers. Edited by O. Alekseev - M .: Radio and communications, 1987, Fig. 3.29, 6).

Если рядом с цилиндрическим сердечником такого трансформатора располагается другой (еще один) проводник, по которому протекает высокочастотный ток, когерентный с током в кабеле, магнитное поле этого внешнего для трансформатора тока будет накладываться на магнитное поле в сердечнике, обусловленное током наружной поверхности оплетки коаксиального кабеля, располагающегося внутри сердечника. Внешнее магнитное поле, при большой протяженности сердечника, может сильно изменяться по длине сердечника. В результате, суперпозиция «своего» магнитного поля и поля внешнего проводника приводит к существенному увеличению поля в той части сердечника, которая расположена ближе к внешнему проводнику. Увеличение поля может быть действительно существенным, так как коаксиальный кабель располагают в центре сердечника (для того, чтобы магнитное поле было одинаковым по периметру кольца), а внешний проводник может располагаться в непосредственной близости от наружной поверхности сердечника в какой-либо его части. В других частях протяженного сердечника внешнее магнитное поле может отсутствовать.If another (another) conductor is located near the cylindrical core of such a transformer, through which a high-frequency current flows, coherent with the current in the cable, the magnetic field of this current external to the transformer will be superimposed on the magnetic field in the core, due to the current on the outer surface of the braid of the coaxial cable, located inside the core. The external magnetic field, with a large length of the core, can vary greatly along the length of the core. As a result, the superposition of “one's own” magnetic field and the field of the external conductor leads to a significant increase in the field in that part of the core that is closer to the external conductor. The increase in the field can be really significant, since the coaxial cable is located in the center of the core (so that the magnetic field is the same along the perimeter of the ring), and the external conductor can be located in any part of the core in the immediate vicinity of the outer surface of the core. In other parts of the extended core, an external magnetic field may be absent.

Для уменьшения габаритов трансформатора, величина магнитного поля в сердечнике, обусловленного передаваемым (рабочим) сигналом, выбирается близкой к уровню насыщения магнитного материала сердечника. Но с появлением дополнительного, внешнего поля, магнитный материал в отдельных частях сердечника, расположенных в непосредственной близости от проводника - источника внешнего поля, может войти в область насыщения. Следствием захода в область насыщения магнитного материала лишь в части сердечника будет не только появление искажений в передаваемом сигнале, но и возникновение градиента температуры по сечению сердечника. Последнее обстоятельство часто служит причиной механического разрушения сердечника. Чтобы избежать насыщения даже в небольшой части сердечника (местоположение которой к тому же может сильно изменяться при изменении частоты или взаимной фазировки сигналов в различных частях устройства), приходится при расчетах делать запасы по величине допустимой магнитной индукции по всему сердечнику, что ведет, в итоге, к существенному росту габаритов и массы трансформатора.To reduce the dimensions of the transformer, the magnitude of the magnetic field in the core, due to the transmitted (working) signal, is chosen close to the level of saturation of the magnetic material of the core. But with the advent of an additional, external field, magnetic material in certain parts of the core located in close proximity to the conductor - the source of the external field, can enter the saturation region. The consequence of entering the saturation region of the magnetic material only in the core part will be not only the appearance of distortions in the transmitted signal, but also the appearance of a temperature gradient over the core cross section. The latter circumstance often causes the mechanical destruction of the core. In order to avoid saturation even in a small part of the core (the location of which can also change greatly when the frequency or mutual phasing of the signals in different parts of the device changes), it is necessary to make reserves in the calculations according to the value of permissible magnetic induction throughout the core, which ultimately leads to to a significant increase in the dimensions and mass of the transformer.

Задачей настоящего изобретения является принудительное выравнивание (усреднение сильно изменяющихся в пространстве расположения сердечника) внешних высокочастотных магнитных полей в местах расположения выделяемых частей протяженного по длине магнитного сердечника.The present invention is the forced alignment (averaging strongly varying in the space of the location of the core) of the external high-frequency magnetic fields at the locations of the allocated parts extended along the length of the magnetic core.

На фиг. 1 изображен фазоинвертирующий трансформатор, выполненный из отрезка коаксиального кабеля, расположенного внутри протяженного, цилиндрического по форме, ферромагнитного сердечника (составленного, например, из кольцевых сердечников). Источник сигнала подключен слева к зажимам коаксиального кабеля, у которого заземлен (подключен к общей шине) наружный проводник. К противоположным зажимам кабеля подключается также несимметричная, относительно «земли», нагрузка Z_н. Однако здесь заземляется центральный проводник коаксиального кабеля. При таком подключении, к наружному проводнику кабеля будет прикладываться выходное напряжение трансформатора.In FIG. 1 shows a phase-inverting transformer made of a piece of coaxial cable located inside an extended, cylindrical in shape, ferromagnetic core (composed, for example, of ring cores). The signal source is connected on the left to the terminals of the coaxial cable, in which the external conductor is grounded (connected to the common bus). To the opposite terminals of the cable is also connected asymmetrical, relative to the "ground", the load Z _n . However, the center conductor of the coaxial cable is grounded here. With this connection, the output voltage of the transformer will be applied to the outer conductor of the cable.

Для уменьшения тока, протекающего по наружной поверхности внешнего проводника кабеля и уменьшающего в результате ток в цепи нагрузки, устанавливается соосно с кабелем протяженный кольцевой магнитный сердечник, набираемый, к примеру, из кольцевых ферромагнитных сердечников. Как известно, величина магнитного поля прямолинейного проводника с током, в какой-либо точке пространства обратно пропорциональна расстоянию от центра проводника до этой точки. Поэтому если проводник располагается строго по центру кольцевого сердечника, магнитное поле по кольцевому периметру сердечника будет одинаковым.To reduce the current flowing along the outer surface of the outer conductor of the cable and reduce the current in the load circuit, an extended ring magnetic core is installed coaxially with the cable, recruited, for example, from ring ferromagnetic cores. As you know, the magnitude of the magnetic field of a rectilinear conductor with current at any point in space is inversely proportional to the distance from the center of the conductor to this point. Therefore, if the conductor is located strictly in the center of the annular core, the magnetic field along the annular perimeter of the core will be the same.

И напротив, магнитное поле тока, протекающего по проводнику, расположенному снаружи сердечника, будет в различных частях сердечника различающимся по величине (и различающимся, возможно, во много раз) и по направлению (относительно кольцевого периметра).Conversely, the magnetic field of the current flowing along a conductor located outside the core will be different in different parts of the core in magnitude (and differing, possibly many times) and in direction (relative to the annular perimeter).

В результате сложения (суперпозиции) собственного (вызванного током в обмотке трансформатора) и внешнего магнитных полей в одной части сердечника суммарное магнитное поле может и снизиться, но в другой части (противоположной) обязательно увеличится. В итоге, обязательно найдется часть кольцевого сердечника, где суммарное магнитное поле неизбежно возрастет. Чтобы при возрастании итоговое магнитное поле не превысило предельно допустимых значений, приходится снижать в расчетах допустимое значение магнитной индукции.As a result of addition (superposition) of the intrinsic (caused by the current in the transformer winding) and external magnetic fields in one part of the core, the total magnetic field may decrease, but in the other part (opposite) it will necessarily increase. As a result, there will certainly be a part of the annular core where the total magnetic field will inevitably increase. In order to increase the total magnetic field does not exceed the maximum permissible values, it is necessary to reduce the permissible value of magnetic induction in the calculations.

Схема на фиг. 1 иллюстрирует применение трубчатого сердечника при построении фазоинвертирующего высокочастотного трансформатора на основе использования отрезка коаксиального кабеля. Источник сигнала 1 подключен слева к зажимам кабеля 2, у которого на этой стороне заземлен (подключен к общей шине) наружный проводник. На противоположных зажимах кабеля 2, к которым подключается несимметричная, относительно «земли» нагрузка 3, заземляется центральный проводник. Для уменьшения тока, протекающего по наружной поверхности кабеля, соосно с кабелем, устанавливаются цилиндрический магнитный сердечник. На фиг. 1 сердечник разделен по оси цилиндра на две части 4 и 5 одинаковой магнитной длины (т.е. при использовании идентичных колец, состоящих из одинакового их числа). Тем самым в сердечнике выделяются части с минимальным и максимальным уровнем наведенного в них внешнего магнитного поля. На частях сердечника 4 и 5 устанавливаются обмотки 6 и 7, включенные между собой встречно-последовательно.The circuit of FIG. 1 illustrates the use of a tubular core in the construction of a phase-inverting high-frequency transformer based on the use of a piece of coaxial cable. Signal source 1 is connected on the left to the terminals of cable 2, on which an outer conductor is grounded (connected to the common bus). At the opposite terminals of cable 2, to which an asymmetrical load 3 is connected with respect to the “ground”, the central conductor is grounded. To reduce the current flowing along the outer surface of the cable, a cylindrical magnetic core is installed coaxially with the cable. In FIG. 1 core is divided along the axis of the cylinder into two parts 4 and 5 of the same magnetic length (i.e. when using identical rings consisting of the same number). Thus, parts with a minimum and maximum level of an external magnetic field induced in them are distinguished in the core. On the parts of the core 4 and 5, the windings 6 and 7 are installed, connected to each other counter-sequentially.

Этот прием может использоваться не только в трансформаторах инвертирующих, как представлено на фиг. 1, но и в симметрирующих, повышающих.This technique can be used not only in inverting transformers, as shown in FIG. 1, but also in balancing, enhancing.

В устройстве, приведенном на фиг. 1, предполагается, что магнитное поле внешнего источника пронизывает половину (по длине) протяженного сердечника. Если заведомо известно, что магнитное поле внешнего источника накладывается на меньшую часть сердечника, указанной петлевой обмоткой можно охватывать не весь сердечник, а только его часть, включающую кольца, находящиеся в области нахождения внешнего поля и равное им число колец из той части, где магнитное поле внешнего источника отсутствует. Возможный вариант такого решения приведен на фиг. 2.In the device of FIG. 1, it is assumed that the magnetic field of an external source penetrates half (along the length) of the extended core. If it is known that the magnetic field of an external source is superimposed on a smaller part of the core, the indicated loop winding can cover not the entire core, but only its part, including rings located in the area of the external field and the equal number of rings from the part where the magnetic field no external source. A possible variant of such a solution is shown in FIG. 2.

Если же заведомо известно, что магнитное поле внешнего источника накладывается на большую часть сердечника, то в части петлевой обмотки, охватывающей меньшую часть сердечника, число витков может быть увеличено, но так, чтобы ампервитки, определяемые в данном случае произведением числа колец на число витков, в каждой из частей обмотки были одинаковы.If it is known that the magnetic field of an external source is superimposed on a large part of the core, then in the part of the loop winding, covering a smaller part of the core, the number of turns can be increased, but so that the ampere turns, determined in this case by the product of the number of rings by the number of turns, in each part of the winding were the same.

Из конструктивных соображений (например, при необходимости вписаться в заданные габариты радиопередатчика) протяженный трубчатый сердечник приходится деформировать, к примеру, складывать пополам, как на фиг. 3. Как отмечалось ранее, такое решение приводит к уменьшению продольной индуктивности внешнего проводника кабеля, но из конструктивных соображений на него часто приходится идти. При таком конструктивном решении может быть предложен вариант установки дополнительных петлевых обмоток между частями сердечника, приведенный на фиг. 3. Здесь петлевые обмотки 6-7 и 8-9 выравнивают внешние наведенные поля, различающиеся по вертикали (на рисунке), а обмотки 12-13 и 10-11 в горизонтальном (по рисунку) направлении.For design reasons (for example, if necessary, fit into the given dimensions of the radio transmitter), the extended tubular core must be deformed, for example, folded in half, as in FIG. 3. As noted earlier, this solution leads to a decrease in the longitudinal inductance of the outer conductor of the cable, but from structural considerations it is often necessary to go. With such a constructive solution, the option of installing additional loop windings between the core parts shown in FIG. 3. Here, the loop windings 6-7 and 8-9 align the external induced fields that differ vertically (in the figure), and the windings 12-13 and 10-11 in the horizontal (in the figure) direction.

В приведенных выше вариантах исполнения трансформатора дополнительные петлевые обмотки выполнялись одновитковыми, вокруг одинакового числа магнитных сердечников. В некоторых случаях расстояние (геометрическое) между частями сердечника может быть значительным (например, расстояние между обмотками 12-13 и 10-11 на фиг. 3), в результате чего возрастают индуктивности проводников, соединяющих части обмоток. Для снижения влияния этих индуктивностей, возможно, увеличивать числа витков в обмотках, но обязательно, в одинаковое число раз. Более того, могут быть различными и числа витков в двух частях обмотки, важно чтобы были одинаковыми ЭДС, создаваемые магнитным потоком основного сигнала в обеих частях обмотки, то есть должны быть равными произведения чисел витков на число сердечников, охватываемых обмотками, в каждой части обмотки. Таким образом, основное правило при установке таких обмоток заключается в том, что соотношение чисел витков в обмотках должно быть обратно пропорциональным магнитным сопротивлениям вдоль оси цилиндра этих частей сердечника.In the above versions of the transformer, additional loop windings were single-turn, around the same number of magnetic cores. In some cases, the distance (geometric) between the parts of the core can be significant (for example, the distance between the windings 12-13 and 10-11 in Fig. 3), resulting in increased inductances of the conductors connecting the parts of the windings. To reduce the effect of these inductances, it is possible to increase the number of turns in the windings, but be sure to equal the number of times. Moreover, the number of turns in two parts of the winding can be different, it is important that the EMF created by the magnetic flux of the main signal in both parts of the winding is the same, that is, the product of the number of turns by the number of cores covered by the windings in each part of the winding should be equal. Thus, the basic rule when installing such windings is that the ratio of the number of turns in the windings must be inversely proportional to the magnetic resistances along the cylinder axis of these parts of the core.

Интересным свойством предлагаемого решения является тот факт, что его эффективность при указанных выше соотношениях внешних (наведенных) полей и поля, создаваемого продольным напряжением сигнала на внешнем проводнике коаксиального кабеля, не сопровождается появлением нежелательных эффектов при других ситуациях. То есть предлагаемое решение при некоторых соотношениях между фазами рабочего и наведенного внешнего сигнала существенно улучшает характеристики устройства, при других вариантах взаимной фазировки сигнала и помехи - это решение не мешает работе, но никогда, в том числе и при отсутствии внешних полей, не ухудшает характеристики устройства. То есть при отсутствии внешних наведенных полей дополнительные петлевые конструкции себя вообще не проявляют.An interesting property of the proposed solution is the fact that its effectiveness with the above ratios of external (induced) fields and the field created by the longitudinal voltage of the signal on the external conductor of the coaxial cable is not accompanied by the appearance of undesirable effects in other situations. That is, the proposed solution with some ratios between the phases of the working and induced external signal significantly improves the characteristics of the device, with other variants of the mutual phasing of the signal and interference - this solution does not interfere with operation, but never, including in the absence of external fields, does not degrade the characteristics of the device . That is, in the absence of external induced fields, additional loop structures do not manifest themselves at all.

Claims

1. A cylindrical ferromagnetic core composed of ring cores for a high-frequency transformer, characterized in that in the core along the length there are two parts with a minimum and maximum level of the external field induced in them, on which additional windings are connected, interconnected in series with and the ratio of the number of turns in them is inversely proportional to the magnetic resistances of these parts of the core along the axis of the cylinder.

2. A cylindrical ferromagnetic core according to claim 1, characterized in that each part of the core is divided in length into two parts, on which additional windings are connected, interconnected counter-sequentially, with the ratio of the number of turns in them inversely proportional to the magnetic resistances along the axis of the cylinder these parts of the core.