Μετασχηματιστές κορυφής — αρχή λειτουργίας, συσκευή, σκοπός και εφαρμογή

Υπάρχει ένας ειδικός τύπος ηλεκτρικού μετασχηματιστή που ονομάζεται μετασχηματιστής κορυφής. Ένας μετασχηματιστής αυτού του τύπου μετατρέπει την ημιτονοειδή τάση που εφαρμόζεται στο πρωτεύον τύλιγμά του σε παλμούς διαφορετικής πολικότητας και της ίδιας συχνότητας με το πρωτεύον ημιτονοειδής τάση… Το ημιτονοειδές κύμα τροφοδοτείται εδώ στο πρωτεύον τύλιγμα και οι παλμοί αφαιρούνται από τη δευτερεύουσα περιέλιξη του μετασχηματιστή κορυφής.

Οι μετασχηματιστές κορυφής χρησιμοποιούνται σε ορισμένες περιπτώσεις για τον έλεγχο συσκευών εκκένωσης αερίου όπως τα θυρατρόνια και ανορθωτές υδραργύρου, καθώς και για τον έλεγχο θυρίστορ ημιαγωγών και για ορισμένους άλλους ειδικούς σκοπούς.

Η αρχή λειτουργίας του μετασχηματιστή κορυφής

Η λειτουργία του μετασχηματιστή κορυφής βασίζεται στο φαινόμενο του μαγνητικού κορεσμού του σιδηρομαγνητικού υλικού του πυρήνα του. Το συμπέρασμα είναι ότι η τιμή της μαγνητικής επαγωγής Β στον μαγνητισμένο σιδηρομαγνητικό πυρήνα του μετασχηματιστή εξαρτάται μη γραμμικά από την ισχύ του μαγνητιστικού πεδίου H του δεδομένου σιδηρομαγνήτη.

Έτσι, σε χαμηλές τιμές του μαγνητιστικού πεδίου H - η επαγωγή B στον πυρήνα αυξάνεται πρώτα γρήγορα και σχεδόν γραμμικά, αλλά όσο μεγαλύτερο είναι το μαγνητιστικό πεδίο H, τόσο πιο αργά η επαγωγή B στον πυρήνα συνεχίζει να αυξάνεται.

Και τελικά, με ένα αρκετά ισχυρό πεδίο μαγνήτισης, η επαγωγή Β σταματά πρακτικά να αυξάνεται, αν και η ένταση H του μαγνητιστικού πεδίου συνεχίζει να αυξάνεται. Αυτή η μη γραμμική εξάρτηση του Β από το Η χαρακτηρίζεται από το λεγόμενο κύκλωμα υστέρησης.

Είναι γνωστό ότι η μαγνητική ροή F, η αλλαγή της οποίας προκαλεί την επαγωγή EMF στη δευτερεύουσα περιέλιξη του μετασχηματιστή, είναι ίση με το γινόμενο της επαγωγής Β στον πυρήνα αυτής της περιέλιξης από την περιοχή διατομής S του πυρήνας περιέλιξης.

Έτσι, σύμφωνα με τον νόμο ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής του Faraday, το EMF E2 στη δευτερεύουσα περιέλιξη του μετασχηματιστή αποδεικνύεται ανάλογο με τον ρυθμό μεταβολής της μαγνητικής ροής F που διεισδύει στη δευτερεύουσα περιέλιξη και τον αριθμό των στροφών w σε αυτό.

Λαμβάνοντας υπόψη και τους δύο παραπάνω παράγοντες, μπορεί εύκολα να γίνει κατανοητό ότι με επαρκές πλάτος για τον κορεσμό του σιδηρομαγνήτη στα χρονικά διαστήματα που αντιστοιχούν στις κορυφές του ημιτονοειδούς της τάσης που εφαρμόζεται στο πρωτεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή κορυφής, η μαγνητική ροή Φ σε αυτό πυρήνας σε αυτές τις στιγμές πρακτικά δεν θα αλλάξει.

Αλλά μόνο κοντά στις στιγμές μετάβασης του ημιτονοειδούς του μαγνητιστικού πεδίου H μέσω του μηδενός, η μαγνητική ροή F στον πυρήνα θα αλλάξει και αρκετά απότομα και γρήγορα (δείτε το παραπάνω σχήμα).Και όσο στενότερος είναι ο βρόχος υστέρησης του πυρήνα του μετασχηματιστή, τόσο μεγαλύτερη είναι η μαγνητική του διαπερατότητα και όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα της τάσης που εφαρμόζεται στην κύρια περιέλιξη του μετασχηματιστή, τόσο μεγαλύτερος είναι ο ρυθμός μεταβολής της μαγνητικής ροής σε αυτές τις στιγμές.

Αντίστοιχα, κοντά στις στιγμές μετάβασης του μαγνητικού πεδίου του πυρήνα H μέσω του μηδέν, δεδομένου ότι η ταχύτητα αυτών των μεταβάσεων είναι υψηλή, θα σχηματιστούν σύντομοι παλμοί σε σχήμα καμπάνας εναλλασσόμενης πολικότητας στη δευτερεύουσα περιέλιξη του μετασχηματιστή, καθώς η διεύθυνση Η αλλαγή της μαγνητικής ροής F που εκκινεί αυτούς τους παλμούς εναλλάσσεται επίσης.

Συσκευή μετασχηματιστή κορυφής

Οι μετασχηματιστές κορυφής μπορούν να κατασκευαστούν με μαγνητική διακλάδωση ή με πρόσθετη αντίσταση στο κύκλωμα τροφοδοσίας του πρωτεύοντος τυλίγματος.

Η λύση με μια αντίσταση στο πρωτεύον κύκλωμα δεν είναι πολύ διαφορετική από έναν κλασικό μετασχηματιστή... Μόνο εδώ το ρεύμα αιχμής στο πρωτεύον τύλιγμα (που καταναλώνεται στα διαστήματα όταν ο πυρήνας εισέρχεται σε κορεσμό) περιορίζεται από μια αντίσταση. Κατά το σχεδιασμό ενός τέτοιου μετασχηματιστή αιχμής, καθοδηγούνται από την απαίτηση να παρέχουν βαθύ κορεσμό του πυρήνα στις κορυφές των ημικυμάτων του ημιτονοειδούς κύματος.

Για να το κάνετε αυτό, επιλέξτε τις κατάλληλες παραμέτρους της τάσης τροφοδοσίας, την τιμή της αντίστασης, τη διατομή του μαγνητικού κυκλώματος και τον αριθμό των στροφών στην κύρια περιέλιξη του μετασχηματιστή. Για να γίνουν οι παλμοί όσο το δυνατόν πιο σύντομοι, χρησιμοποιείται ένα μαγνητικά μαλακό υλικό με χαρακτηριστική υψηλή μαγνητική διαπερατότητα, για παράδειγμα περμαλοειδές, για την παραγωγή του μαγνητικού κυκλώματος.

Το πλάτος των λαμβανόμενων παλμών θα εξαρτηθεί άμεσα από τον αριθμό των στροφών στη δευτερεύουσα περιέλιξη του τελικού μετασχηματιστή. Η παρουσία μιας αντίστασης, φυσικά, προκαλεί σημαντικές απώλειες ενεργού ισχύος σε ένα τέτοιο σχέδιο, αλλά απλοποιεί σημαντικά τη σχεδίαση του πυρήνα.

Ένας μαγνητικός μετασχηματιστής περιορισμού του ρεύματος αιχμής κατασκευάζεται σε ένα μαγνητικό κύκλωμα τριών σταδίων, όπου η τρίτη ράβδος χωρίζεται από τις δύο πρώτες ράβδους με ένα διάκενο αέρα και η πρώτη και η δεύτερη ράβδοι είναι κλειστές μεταξύ τους και φέρουν το πρωτεύον και δευτερεύουσες περιελίξεις.

Όταν το μαγνητικό πεδίο H αυξάνεται, το κλειστό μαγνητικό κύκλωμα κορεστεί πρώτα επειδή η μαγνητική του αντίσταση είναι μικρότερη. Με μια περαιτέρω αύξηση του μαγνητιστικού πεδίου, η μαγνητική ροή F κλείνει μέσω της τρίτης ράβδου - της διακλάδωσης, ενώ αντιδραστικότητα το κύκλωμα αυξάνεται ελαφρώς, γεγονός που περιορίζει το ρεύμα αιχμής.

Σε σύγκριση με ένα σχέδιο που περιλαμβάνει μια αντίσταση, οι ενεργές απώλειες είναι μικρότερες εδώ, αν και η κατασκευή του πυρήνα αποδεικνύεται λίγο πιο περίπλοκη.

Εφαρμογές με μετασχηματιστές κορυφής

Όπως ήδη καταλάβατε, οι μετασχηματιστές κορυφής είναι απαραίτητοι για τη λήψη βραχέων παλμών ημιτονοειδούς εναλλασσόμενης τάσης. Οι παλμοί που λαμβάνονται με αυτή τη μέθοδο χαρακτηρίζονται από σύντομο χρόνο ανόδου και πτώσης, γεγονός που καθιστά δυνατή τη χρήση τους για την τροφοδοσία ηλεκτροδίων ελέγχου, για παράδειγμα, θυρίστορ ημιαγωγών, θυρατρόνια κενού κ.λπ.