Что такое трансформаторы и их классификация?

Трансформатор — это электромагнитное устройство переменного тока с двумя или более индуктивно связанными обмотками.

Трансформатор предназначен для трансформации переменных токов и напряжений.

Классификация. Трансформаторы, как и другие элементы электронной техники, классифицируют по нескольким признакам: по назначению, по частоте, за мощностью, по напряжению, по соотношению входного и выходного напряжения, за магнитопроводом, по способу защиты. По назначению трансформаторы разделяют на три группы: согласование, импульсные и питания (силовые). Трансформаторы согласования предназначены для согласования электрических цепей по сопротивлению и уровнями сигналов. В зависимости от места их установки в аппаратуре различают входные трансформаторы согласования, которые используют для согласования источников сигналов с входами усилителей, выходные трансформаторы, применяемые для согласования выхода усилителя с нагрузкой, и
межкаскадные, которые предназначены для межкаскадной связи. Основное назначение импульсных трансформаторов заключается в том, чтобы трансформировать (изменять уровни) импульсные сигналы.
Трансформаторы питания предназначены для преобразования токов и напряжений в сетях энергосистем и потребителей электроэнергии, в частности в цепях питания различных электронных приборов и аппаратов (зарядных устройств, электропаяльников, радиоприемников, телевизоров, магнитофонов, компьютеров и т.д.). Трансформаторы питания разделяют также по напряжению. Различают
низковольтные и высоковольтные трансформаторы. Аналогично разделяют трансформаторы питания по мощности. Различают маломощные и мощные трансформаторы. Классифицируют трансформаторы питания также по частоте напряжения питания. Различают сетевые трансформаторы питания, работающие на стандартных сетевых частотах, равных 50, 400 … 1000 и 50000 Гц, и преобразовательные трансформаторы, используемые в преобразователях постоянного напряжения в переменную и работают на любых частотах. Классифицируют трансформаторы питания и по соотношению входящего и
исходного напряжения. Существуют повышающие трансформаторы, в которых и понижающие, в которых . Трансформаторы питания разделяют за количеством фаз напряжения питания на однофазные и трехфазные. Классифицируют трансформаторы также по степени защиты от внешних условий. Различают незащищенные трансформаторы и защищенные обволакиванием или корпусом.

Условные изображения и обозначения. Условные изображения трансформаторов приведены на рис. 1.

Рис. 1. Условные изображения трансформаторов: а, б — трансформаторы с магнитодиэлектрическим и ферромагнитным сердечником; в — триобмоточные; г — без сердечника; д — из переменной связью между обмотками; е — из ферритовым подстраиваемым сердечником; ж — автотрансформаторы с сердечником

Условные обозначения трансформаторов означают тип, номер с унифицированного ряда, напряжение, частоту. Например, ТА5-115-400 означает трансформатор анодный, номер 5 из унифицированного ряда, напряжение 115 В, частота 400 Гц.

[adsense1]

Строение. Основными элементами конструкции трансформатора являются: сердечники (магнитопровода), каркас или гильза, обмотки, межслойная и межобмоточная изоляции, внешние выводы, элементы защиты от внешних условий, элементы крепления в аппаратуре, элементы подстройки. Сердечник является основой трансформатора. Он может иметь броневую, стержневую или тороидальную конструкцию (рис. 2, а-е). Броневые сердечники имеют разветвленный магнитный круг, стержневой и тороидальный — неразветвленной круг. С развитием микроэлектроники появились новые конструкции сердечников, в частности кабельные, катушечные, кольцевые (рис. 2, ж-е). Броневые, стержневые и тороидальные сердечники могут быть пластинчатыми или ленточными (рис. 2, а-е), реже сплошными.

Рис. 2. Основные типы сердечников: а, г — броневые; б, д — стержневые; в, е — тороидальные; ж — кабельные; з — катушечные; и — кольцевые; а-в — пластинчатые; г-е — ленточные

Пластинчатые сердечники является технологичными, потому что пластины изготавливают высокопроизводительным методом штамповки. Но на участках, где магнитные силовые линии не совпадают с направлением проката, их магнитные свойства ухудшаются, что требует на 15 … 30% увеличивать массу сердечника. Ленточные сердечники менее технологичные, но имеют лучшие магнитные свойства, так как в них магнитные силовые линии всегда совпадают с направлением проката. Основными требованиями к магнитному материалу сердечника является высокая индукция насыщения, что определяется относительной магнитной проницаемостью материала, и малые потери энергии, которые зависят от его удельного сопротивления. С повышением частоты магнитная проницаемость уменьшается, а потери энергии растут. Причиной этого является магнитный скин-эффект, который заключается в вытеснении магнитных силовых линий к поверхности магнитопровода. Чтобы это предотвратить, сердечник изготавливают из пластин или лент, толщину которых определяют по выражению

где d — толщина, мм; р — удельное сопротивление, мкОм м; f — частота, Гц. Для маломощных трансформаторов, работающих на низких частотах (50-400 Гц), потери играют второстепенную роль. Главное для них — высокая индукция насыщения. В таком случае пластинчатые сердечники можно изготавливать из любой электротехнической стали горячей прокатки, а ленточные — из электротехнической текстурированной стали холодной прокатки толщиной ≈0,6 мм. Для более мощных трансформаторов необходимые массивные сердечники. С увеличением размеров сердечника их объем растет быстрее, чем поверхность, поэтому здесь важнее иметь малые удельные потери энергии. Для сердечников этих трансформаторов как магнитный материал можно рекомендовать электротехнические стали с меньшими потерями энергии и меньшей толщиной листов (≈ 0,35 … 0,5 мм). Для сердечников трансформаторов, которые работают на частотах ≈400 … 1000 Гц, необходимые электротехнические стали еще с меньшими удельными потерями энергии и меньшей толщиной листов (≈ 0,08 мм). На более высоких частотах удельные потери в стали становятся основным фактором, что определяет массу сердечников. Материалами для них могут быть пермаллоя с толщиной ленты 0,01-0,02 мм. На частотах выше 50 кГц сердечники изготавливают методом прессования низкочастотных магнитомягких ферритов.
Для намотки трансформаторов применяют медные эмалированные провода, медную ленту или фольгу. Если использовано ленточные провода, увеличивается коэффициент заполнения, не возникает полостей между обмотками, улучшается теплоотвод, растет долговечность трансформатора и его способность выдерживать перегрузки. Основными критериями выбора проводов является достаточная термостойкость их изоляции, ее медленное тепловое старение, высокая способность к утечке жидкими диэлектриками. Пригодным материалом для межобмоточной и межслойной изоляции для
работы при температурах Т < 130 °С является кабельная бумага. Для работы по Т> 130 °С рекомендуется стеклослюдинит. Межобмоточная изоляция отличается от межслойной только количеством слоев намотки. Выводы обмоток, если диаметр провода не слишком мал, выполняют тем самым проводом, что и обмотку. В противном случае их изготавливают как отдельные детали в виде отрезков гибкого многожильного изолированного медного провода, который закрепляют на каркасе и припаивают до конца (начала) провода обмотки. Намотка проводов может быть изготовлена на каркасе, гильзе или непосредственно на сердечнике. Поскольку трансформаторы работают на низких частотах, то каркасы не очень влияют на потери энергии. Поэтому специальных требований за величиной потерь в них обычно не ставят. Зато трансформаторы питания работают в жестком тепловом режиме, поэтому от материала каркаса требуется высокая термостойкость. Конструкция и материал каркаса зависят также от назначения трансформатора. Каркасы трансформаторов широкого потребления изготавливают из электро-картона. Их внешний вид приведен на рис. 3, в.

Рис. 3. Внешний вид и строение некоторых каркасов: а — пластмассовый; б — изготовлен из штампованных деталей; в — склеенный из электрокартона; г — бескаркасная намотка катушки

Для трансформаторов специального назначения, работающих в сложных условиях, каркасы изготавливают из пластмассы, гетинакса или текстолита. В трансформаторах, предназначенных для тропических условий, применяют вместо каркасов картонные или пластмассовые гильзы, облегчающих утечки трансформаторов жидкими диэлектриками и заливки их компаундом. Защита трансформаторов питания может осуществляться пропиткой, герметизацией и заливкой компаундом. Утечки жидкими диэлектриками подлежат все трансформаторы, независимо от того, будет или не будет применяться другой способ защиты. Жидкие диэлектрики, которые просачиваются, должны иметь малую вязкость и хорошую адгезию. Они не должны растворять изоляцию проводов, быть термостойкими, иметь хорошие диэлектрические свойства. Этим требованиям отвечают битумные или водоэмульсионные лаки. Надежную защиту обеспечивает герметизация. Во время герметизации пропитанный трансформатор помещают в металлический кожух и заливают компаундом. Для герметизации выводов применяют металлостеклянный или металлокерамические спаи. Последние являются более надежными и дешевыми.
Если условия работы менее жесткие, а требования к весогабаритным показателям высокие, вместо герметизации применяют обволакивания, которое заключается в заливке трансформаторов компаундом с последующим покрытием влагостойким лаком. Внешний вид некоторых низкочастотных трансформаторов питания приведены на рис. 4.

Рис. 4. Внешний вид некоторых низкочастотных трансформаторов питания

Рис. 5. Внешний вид и конструкции некоторых малогабаритных трансформаторов: а — плоский броневой; б — тороидальный: 1 — сердечник; 2 — намотка

Для микроэлектронной аппаратуры разработаны конструкции малогабаритных трансформаторов, в частности кабельных (рис. 2, ж); кольцевых (рис. 2, и); броневых и тороидальных (рис. 5).
Анализ конструкций малогабаритных трансформаторов показывает, что в них сердечники могут размещаться не только внутри, но и снаружи катушек, как в кольцевых и кабельных трансформаторах. Такое размещение магнитопровода облегчает теплоотвода от трансформатора. Для навесного монтажа гибридных ИМС разработаны конструкции миниатюрных трансформаторов (рис. 6), которые герметизируют в совместном с ИМС корпусе.

Рис. 6. Внешний вид миниатюрных трансформаторов (в упаковке), предназначенных для навесного монтажа гибридных ИМС

Работа. Работа трансформатора основана на использовании явления электромагнитной индукции, согласно которому переменное магнитное поле вызывает появление переменного электрического поля и наоборот, переменное электрическое поле вызывает появление переменного магнитного поля (рис. 7). Трансформатор может работать в двух основных режимах: режиме нерабочего (холостого) хода и режиме нагрузки.

Рис. 7. Схема работы трансформатора

Режимом холостого хода называют такой режим, при котором первичная обмотка трансформатора питается от источника переменного ЭДС, а вторичная обмотка разомкнута. Ток, потребляемый первичной обмотка в этом режиме, называется током холостого хода трансформатора , а магнитный поток, который он индуцирует — рабочим магнитным потоком .

Ток холостого хода состоит из двух составляющих: реактивной составляющей тока намагничивания и активной составляющей . Их определяют с выражений

где — потери в стали (в сердцевине) в режиме холостого хода; — напряженность магнитного поля в режиме холостого хода. Значение тока первичной обмотки в режиме холостого хода составляет
только 5 … 8% от номинального. При включении во вторичную обмотку нагрузки трансформатор переходит в режим нагрузки. Сразу после включения появляется ток нагрузки , который создает в трансформаторе свой магнитный поток . Большая часть этого магнитного потока замыкается по сердечнику, а меньшая часть — воздухом вокруг витков вторичной обмотки и составляет магнитный
поток рассеяния. Будучи индукционным током, ток вторичной обмотки по правилу Ленца противодействует причине, что его вызвала, поэтому своим магнитным потоком противоположного
направлении ослабляет в сердцевине рабочий магнитный поток (рис. 7). Но уменьшение рабочего магнитного потока сразу вызывает рост тока первичной обмотки так, что создаваемый им дополнительный
магнитный поток полностью компенсирует противодействующий магнитный поток вторичной обмотки. Поэтому рабочий магнитный поток в сердечнике после включения нагрузки остается практически неизменным, то есть

Ток намагничивания в нагруженном трансформаторе мало отличается от . Его можно выразить через напряжение и индуктивность первичной обмотки:[adsense1]

Свойства. С рис. 7 видно, что между входом и выходом трансформатора гальваническая связь отсутствует. Поэтому трансформатор имеет две схемы замещения: одну для первичной и вторую для вторичной обмотки. Поскольку первичная и вторичная обмотки идентичны, то их схемы замещения будут одинаковыми. Поэтому достаточно рассмотреть одну из них. В этом заключается первая особенность схемы замещения трансформатора. Вторая ее особенность заключается в том, что она должна учитывать наличие магнитной связи между обмотками, в результате которого первая обмотка влияет на параметры второй, а вторая, в свою очередь, — на параметры первой. Это влияние учитывают, приводя параметры первичной обмотки к вторичной и наоборот, параметры вторичной к первичной. Как следует из сказанного, схема замещения первичной обмотки содержит индуктивность , которая учитывает ту часть магнитного потока первичной обмотки, что замыкается через вторичную обмотку. Ее можно оценить по известной формуле индуктивности катушки с тороидальным сердечником:

Ту часть магнитного потока первичной обмотки, что рассеивается, учитывает индуктивность рассеяния . В правильно сконструированном трансформаторе . В первичной обмотке наблюдаются также потери энергии, которые определяются активным сопротивлением провода . Учитывая явление электромагнитной индукции и правило Ленца, приходим к выводу, что во вторичной обмотке трансформатора возникает свой магнитный поток, который противодействует магнитному потоку первичной обмотки. Часть этого магнитного потока рассеивается и частично влияет на первичную обмотку. Это
влияние характеризует приведена к первичной обмотки индуктивность рассеяния вторичной обмотки , определяемая по выражению:

где — индуктивность вторичной обмотки, n — коэффициент трансформации. Влияют на первичную обмотку также потери энергии в активном сопротивлении  и в сопротивлении нагрузки вторичной обмотки. Это влияние можно оценить также с помощью соответствующих приведенных параметров:

где , и — приведены к первичной обмотке активное сопротивление и сопротивление нагрузки вторичной обмотки. Используя понятие приведенных к первичной обмотке параметров вторичной обмотки, их влияние на первичную обмотку можно отобразить параллельно подключеную к индуктивности первичной обмотки электрическую цепь с последовательно включенными . Итак, получено изображенную на рис. 8 схему замещения первичной обмотки трансформатора.

Рис. 8. Схема замещения первичной обмотки трансформатора

Кроме отмеченных выше элементов, в приведенную схему замещения входит параллельно подключена к собственная емкость обмоток трансформатора . Аналогичную схему замещения имеет вторичная обмотка трансформатора. Пользуясь схемой замещения, можно выполнять анализ и расчет многих электрических характеристик трансформаторов. Трансформаторы характеризует целым рядом характеристик, в частности внешними (выходные), энергетическими, температурными, намагничивания, частотными, импульсными, надежностными.

Рис. 9. Внешняя характеристика трансформатора

Внешняя характеристика трансформатора выражает зависимость выходного напряжения от выходного тока . Она характеризует спад выходного напряжения в зависимости от характера нагрузки, то есть от угла сдвига фаз между напряжением и током (рис. 9). Видно, что чем больше угол смещения фаз между напряжением и током, тем круче приходит внешняя характеристика. В общем изменение напряжения во вторичной обмотке трансформатора питания при изменении режима его работы от нерабочего хода к нормальной нагрузке не превышает 2 … 3%. Энергетические характеристики трансформатора выражают зависимость удельных потерь в стали  от магнитной индукции В. Они необходимы для определения активной и реактивной составляющих токов холостого хода, их вид приведен на рис. 10.

Рис. 10. Зависимость удельных потерь энергии в сердечнике с электротехнической стали с толщиной ленты 0,08 мм в различных частотах от магнитной индукции

Видно, что с увеличением магнитной индукции удельные потери энергии экспоненциально растут. Абсолютная их величина зависит от марки электротехнической стали, толщины пластин и частоты изменения тока. Увеличение толщины пластин и частоты изменения тока сопровождается ростом удельных потерь. Температурные характеристики выражают зависимость температуры перегрева трансформатора
от удельной поверхностной нагрузки . Они необходимы для оценки надежности работы трансформаторов питания. Их вид приведен на рис. 11.

Рис. 11. Зависимость температуры перегрева от удельной поверхностной нагрузки для броневых трансформаторов с пластинчатыми магнитопроводами различных сечений на частоте 50 (а) и 400 (б) Гц

Видно, что с увеличением удельной поверхностной нагрузки температура перегрева возрастает. Абсолютное ее значение зависит от конструкции сердечника, его поперечного сечения и частоты изменения
тока. Увеличение поперечного сечения и частоты изменения тока увеличивает температуру перегревания. Характеристики намагничивания выражают зависимость магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н. Они необходимые для конструирования и расчета трансформаторов согласования, чтобы уменьшить нелинейные искажения, обусловленные выходом рабочей точки за пределы линейного участка зависимости В (Н) (рис. 12).

Рис. 12. Кривые зависимости магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н для различных типов сердечников с электротехнической стали

Анализ рисунка показывает, что линейность зависимости В (Н) сохраняется только в определенных пределах изменения Н. Амплитудно-частотные характеристики выражают зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты, которая обусловлена индуктивностями . Их учитывают, проэктируя согласительные трансформаторы, когда ставится задача уменьшить частотные искажения сигналов на низкой и высокой частотах. Они имеют вид, подобный приведенному на рис. 13.

Рис. 13. Амплитудно-частотная характеристика трансформаторов

Неравномерность амплитудно-частотной характеристики на низких и высоких частотах и определяют с выражений:

Для импульсных трансформаторов важна импульсная характеристика, которая имеет вид петли гистерезиса, образованной на кривой намагничивания (рис. 14). Причина ее появления — многократное одностороннее намагничивания сердечника с выходом за пределы линейного участка. Появление такой петли вызывает дополнительные искажения импульсных сигналов.

Рис. 14. Кривая намагничивания сердечника трансформатора: 1 — начальная кривая, 2 — импульсная характеристика

Важными для практики также -характеристики, выражающие зависимость интенсивности внезапных отказов трансформаторов от условий эксплуатации. На рис. 15 показаны зависимости относительной интенсивности отказов трансформаторов от температуры окружающей среды.

Рис. 15. Зависимость относительной интенсивности внезапных отказов трансформаторов от температуры окружающей среды: 1, 2 — трансформаторы высокого и низкого напряжения

Из рис. 15 видно, что повышение температуры окружающей среды увеличивает интенсивность отказов. Высоковольтные трансформаторы имеют большую интенсивность отказов, чем низковольтные.
Различные виды трансформаторов описывают различным параметрам. Для трансформаторов питания важнейшими являются следующие параметры: номинальная мощность , выходное напряжение , падение напряжения , сопротивления обмоток и , ток намагничивания , частота изменения тока , коэффициент трансформации n, коэффициент полезного действия (КПД) , температура перегрева , средняя интенсивность внезапных отказов . Для трансформаторов согласования основными параметрами являются: допустимые неравномерности амплитудной характеристики в диапазоне низких и высоких частот и , индуктивность первичной обмотки, индуктивность рассеяния обмоток собственная емкость трансформатора , сопротивления обмоток и , токи намагничивания , коэффициент трансформации n, критическая мощность , коэффициент полезного действия , средняя интенсивность отказов . Если в приведенном выше перечне
параметров трансформаторов согласования , , и заменить временем нарастания переднего фронта импульса , величиной спада его плоской вершины , время спада заднего фронта импульса, импульсной магнитной проницаемостью, и сдаваемой магнитной проницаемостью , то получим набор параметров, характеризующих импульсные трансформаторы. Номинальная мощность трансформатора равна сумме номинальных мощностей вторичных обмоток, то есть

где к — количество вторичных обмоток,  — номинальная мощность i-й вторичной обмотки, определяется произведением номинального тока обмотки на ее номинальное напряжение :

Выходное напряжение — это напряжение на нагрузке, а при его отсутствии (режим холостого хода) оно равно действующей во вторичной обмотке ЭДС . Падение напряжения трансформатора характеризует изменение его выходного напряжения вследствие изменения сопротивления обмоток, вызванной их нагреванием рассеиваемой в меди мощностью . Он характеризует стабильность парамеры трансформатора. Его значение в относительных единицах рассчитывают так

или

где — абсолютное изменение выходного напряжения, — действующее значение ЭДС. Сопротивления обмоток и — это активные сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора. Их значение определяется материалом обмотки, длиной и поперечным сечением провода:

где — удельное сопротивление материала провода (меди) и — длины проводов;  и — площадь поперечного сечения проводов. Ток намагничивания  — это та часть тока первичной обмотки
трансформатора, который расходуется на намагничивании сердечника к магнитной индукции , вторая часть тока первичной обмотки компенсирует размагничивающие действие . определяется так:

где — поперечное сечение сердечника; — коэффициент заполнения сердечника. Ток намагничивания может быть определен по графику зависимости В (I) рис. 16, который приводят в справочной литературе, или рассчитанный за соответствующими формулами.

При расчете учитывают, что ток намагничивания численно равен реактивной составляющей тока холостого хода трансформатора. Частота изменения тока — это частота, на которой работают трансформаторы. Для трансформаторов питания, которые предназначены для работы на низких частотах, лежит в пределах 50 Гц … 50 кГц, а для трансформаторов согласования, которые работают на более высоких частотах > 50 кГц.

Рис. 16. График зависимости магнитной индукции от тока через первичную обмотку трансформатора

Частота изменения тока является важным параметром трансформаторов, поскольку она в значительной мере предопределяет выходную мощность трансформаторов питания при заданных размерах или размерах трансформаторов по заданной исходной мощности. В трансформаторах согласования и импульсных от частоты изменения тока зависит величина искажений сигналов. Коэффициент трансформации — это параметр, который показывает, какое существует соотношение между напряжениями и токами на зажимах первичной и вторичной обмоток нагруженного трансформатора. Он определяется по выражениям:

С формулы видно, что 

Это означает, что трансформатор трансформирует (изменяет) напряжения и токи и не изменяет мощности. Сказанное справедливо только для идеальных трансформаторов, которые не имеют потерь энергии. В реальных трансформаторах с потерями энергии на потери энергии в обмотках и сердечнике. Учитывая малое падение напряжения в обмотках трансформаторов, отношение напряжений в выражении может быть заменено отношением ЭДС:

Выражение только как для нагруженного, так и для ненагруженного трансформатора. Поскольку индуцированные ЭДС в первичной и вторичной обмотках трансформатора пропорциональны количеству витков этих обмоток

то отношение ЭДС в выражении можно заменить отношением количества витков:

Если , трансформаторы увеличивают выходное напряжение в раз , а выходной ток увеличивают в столько ж раз. Коэффициент полезного действия определяет производительные потери энергии трансформатором. Он определяется отношением полезной мощности к общей, которая, кроме полезной , содержит мощности рассеяния в сердцевине и в обмотках , то есть

где

— масса сердечника; — угол сдвига фаз между напряжением и током. Потери энергии в сердечнике на его перемагничивания пропорциональны его веса и . Поэтому увеличение индукции в сердечнике существенно влияет на его потери. Потери энергии в обмотках обусловленные преимущественно их активным сопротивлением, уменьшать который можно соответствующим выбором материала провода. Любые изменения тока во вторичной обмотке трансформатора при неизменном входного напряжения ведут к такому изменению значения тока в его первичной обмотке, при которой результивная магнитная индукция в сердечнике трансформатора остается неизменной и такой, что по значению равен магнитной индукции холостого хода. Но за постоянства магнитной индукции неизменными остаются потери на вихревые токи и перемагничывание. Это значит, что с изменением  потери энергии в сердечнике , не изменяются, в то время как потери в обмотках  меняются. Это приводит к соответствующему изменению коэффициента полезного действия (рис. 17).

Рис. 17. Зависимость коэффициента полезного действия (1) потерь в сердечнике (2) и обмотках (3) от тока вторичной обмотки трансформатора

Наибольшим КПД становится, если , то есть при равенстве потерь в стали и меди. Он меньше и в маломощных трансформаторах (60 … 80%) и значительно больше в мощных (90 … 99%). Температура перегрева трансформатора  — это разница между температурой трансформатора и температурой окружающей среды. Она характеризует тепловой режим работы и определяет его долговечность и надежность. Если максимально нагретый участок содержится внутри обмоток, температуру перегрева определяют по формуле:

где А и Б — тепловые сопротивления меди и стали. Температура перегрева связана также с общей поверхностью охлаждения трансформатора П:

Допустимый перегрев трансформатора определяется термостойкостью магнитных, изоляционных и проводниковых материалов, из которых изготовлено основные элементы его конструкции. Типичную величину перегрева обычно берут 50 ° С. Важным параметром трансформаторов является интенсивность их отказов , характеризующая надежность работы за внезапных отказов, которые являются для них основными. Чаще всего встречаются следующие виды внезапных отказов, как обрывы соединений обмоток с внешними выводами, короткие замыкания витков, пробои межвитковой и междуобмотковой изоляции и тому подобное. Интенсивность отказов трансформаторов составляет примерно . Трансформаторы с повышенными напряжениями, как правило, имеют низкую надежность.
Неравномерности амплитуды-частотной характеристики трансформаторов согласования показывают, во сколько раз меняется амплитуда сигналов при изменении частоты. Их значения на низких и высоких частотах определяются выражениями:

где — внутреннее сопротивление источника сигналов; и — нижняя и верхняя частоты рабочего частотного диапазона; и — эквивалентные сопротивления на низких и высоких частотах; — индуктивность рассеяния трансформатора, которая учитывает индуктивность рассеяния первичной обмотки , и приведенную в первичной обмотки индуктивность рассеяния вторичной обмотки , которую определяют по выражению:

где — коэффициент, зависящий от типа намотки ( для несекционированной,  для секционированной намоток);  — средняя длина витка, см;  — промежуток между первичной и вторичными обмотками, см; и — толщина первичной и вторичной обмоток в направлении, перпендикулярном потоке рассеяния, см; — длина намотки в направлении потока рассеяния.
Критическая мощность трансформатора согласование — это мощность, при которой нелинейные искажения, вносит трансформатор, что достигают максимально допустимого уровня. Входной импульсный сигнал, проходя через импульсный трансформатор, меняет свою форму. Увеличивается время нарастания и спада импульса, уменьшается его амплитуда (рис. 18). Что вызванные изменения переходными процессами в индуктивности и емкости трансформатора.

Рис. 18. Форма входного (а) и выходного (б) сигналов импульсного трансформатора

Спад плоской части импульса показывает, на сколько уменьшается амплитуда импульса за время его продолжительности . Анализируя эквивалентную схему транформатор, можно показать,
что на низких частотах изменение напряжения во времени на индуктивности описывается выражением:

где производная от тока по времени; — изменение эквивалентной ЭДС во времени.
Видно, что в момент времени , а через время .

Падение напряжения определяется разницей двух значений :

На высоких частотах продолжительности переднего и заднего фронтов импульса растут (рис. 18), в основном из переходные процессы, обусловленные паразитными емкостями и индуктивностями трансформатора. Можно показать, что

где приведен к первичной обмотке выходное сопротивление трансформатора, определяется по выражению:

— эквивалентное сопротивление потерь на вихревые токи; — приведенная к первичной обмотки суммарная емкость вторичной обмотки и нагрузки. Для оценки продолжительности заднего фронта импульса может быть использовано выражение при условии, что в нем индуктивность рассеяния заменены на индуктивность первичной обмотки :

Импульсная магнитная проницаемость сердечника импульсного трансформатора — это величина, которая определяется с импульсной характеристики сердечника. Она равна отношению прироста магнитной индукции к приросту напряженности магнитного поля :

Во время импульсного намагничивания в пластинах сердечника возникают вихревые токи. Они задерживают нарастание магнитного поля и вызывают неравномерный его распределение по поперечному сечению пластин. Эти явления сопровождаются искажением фронта импульса и уменьшением импульсной магнитной проницаемости в величины . Сдаваемая магнитная проницаемость будет равна:

где — коэффициент, зависящий от величины отношения  ;  — постоянная времени вихревых токов, которая определяется по формуле:

где — толщина пластин, см; — удельное сопротивление пластин, .

Рис. 19. Зависимость коэффициента от величины отношения

[adsense1]

Применение. В электронной аппаратуре являются каскады и устройства, для питания которых требуются различные постоянные и переменные напряжения. В то же время мощный первичный источник питания, как правило, имеет одно напряжение. Поэтому любое электронное устройство содержит достаточно сложную систему питания, в которую входят выпрямители на различные напряжения и мощности, преобразователи постоянного тока с одного напряжения в постоянный ток другого напряжения, которые используют трансформаторы питания. Они должны иметь высокую надежность, малую массу и малые габариты. Но анализ показывает, что прогресс их конструктивно-технологических характеристик меньше, чем других элементов. В результате они стали самыми тяжелыми и громоздкими и одновременно наименее надежными элементами электронной аппаратуры. Как правило, масса и габариты устройств питания составляют 0,1 … 0,5 массы и габаритов всей аппаратуры, и на их долю приходится до 50% отказов. Совершенствуется конструкция трансформаторов в направлении уменьшения толщины лент до 0,01 мм и применение для изготовления сердечников ферритов, в результате чего удалось проникнуть в область высоких частот (50 … 100 кГц) и за счет этого уменьшить массу и габариты трансформаторов питания и повысить их надежность. Трансформаторы согласования применяют в широком диапазоне частот для согласования сопротивления нагрузки с сопротивлением источников сигналов. Они должны иметь малые искажения сигналов. По сравнению с трансформаторами питания они рассчитаны на меньшие мощности и на более высокие частоты, поэтому имеют меньший вес и габариты. Но так же, как и трансформаторы питания, они не поддаются миниатюризации и поэтому сфера их использование ограничивается преимущественно мощными усилителями звуковых сигналов бытовой техники. Импульсные трансформаторы выполняют функции, аналогичные функциям трансформаторов согласования, но применительно к импульсным сигналов. Они должны иметь минимальное искажение формы импульсов. Работают на высоких частотах, поэтому имеют малые габариты. Учитывая это, маломощные импульсные трансформаторы используют в микроэлектронной аппаратуре. Мощные крупногабаритные образцы применяют в мощных импульсных радиопередавальных устройствах.