CN102810385B - 抑制过高功率传输的信号隔离变压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制过高功率传输的信号隔离变压器，它包括环形磁芯及缠绕在磁芯上的输入和输出线圈，其特征在于：所述的磁芯包含至少一个截面面积大和一个截面面积小的磁路，而且截面面积大的磁路与截面面积小的磁路长度不等。所述截面面积大的磁路长度大于截面面积小的磁路。该变压器在低于限定功率的信号传输状态，变压器的磁芯未饱和，变压器线性工作，信号无损耗传输；在高于限定功率的干扰出现状态下，变压器至少有截面面积小的磁路部分磁芯饱和，变压器非线性工作，其输入端与输出端之间的交换功率大小被限制。适用于各种电路。

Description

抑制过高功率传输的信号隔离变压器

技术领域

本发明涉及一种变压器，尤其是控制变压器。

背景技术

目前，在各种通信设备中大量使用各种信号控制变压器，其中的隔离变压器较常用，如同轴传输设备、网络设备、电脑网络接口设备等均有应用，是一种广泛使用的模拟器件。通常而言，这种信号变压器主要采用截面积相同的环形磁芯，其设计主要功能是满足正常的信号交换传输，并具有隔离直流抗干扰的作用。传统信号隔离变压器因需要满足信号的低损耗耦合传输，所设计变压器磁芯——也叫铁芯的磁路横截面积较大，磁芯饱和所需的能量较高。当输入端线路出现高能量干扰时，将有部分分量的高功率的脉冲、谐波等在隔离变压器磁芯未饱和前被电磁转换到输出端，从而导致信号隔离变压器输出侧电路损坏。因此，在一些应用中采用相关保护方法来抑制线路上的高能量干扰脉冲或谐波，但都要增加额外的防护元件及电路来实现，无疑增加电路的复杂程度和成本。

发明内容

为克服上述缺陷和不足，本发明的目的是提供一种抑制过高功率传输的信号隔离变压器，适用于各种耦合传输，确保在线路上保持低功率电磁交换而抑制过高功率的电磁交换。

为达上述目的，本发明的具体技术方案是：

一种抑制过高功率传输的信号隔离变压器，它包括环形磁芯及缠绕在磁芯上的输入和输出线圈，其特征在于：

所述的磁芯包含至少一个截面面积大和一个截面面积小的磁路，而且截面面积大的磁路与截面面积小的磁路长度不等。

所述截面面积大的磁路长度大于截面面积小的磁路。

优选地，截面面积小的磁路长度远远短于截面面积大的磁路。

优选地，从最大截面面积的磁路对称尖锐形变至最小截面面积的磁路。

优选地，截面面积小的磁路形状呈对称弧形。

优选地，所述的输入和输出线圈允许有不同的电感参数和匝数比。

优选地，线圈之间的绝缘耐压强度≥275V。

上述的技术方案的技术效果在于：在低于限定功率的信号传输状态，变压器的磁芯未饱和，变压器线性工作，信号无损耗传输；在高于限定功率的干扰出现状态下，变压器至少有截面面积小的磁路部分磁芯饱和，变压器非线性工作，其输入端与输出端之间的交换功率大小被限制。

附图说明

图1是本发明磁芯截面面积较小的磁路形状呈对称弧形的结构示意图；

图2是本发明磁芯截面面积小的磁路形状呈台阶形的结构示意图；

图3是本发明磁芯截面面积小的磁路形状呈对称尖锐变形的结构示意图；

在图中，输入线圈1，截面面积大的磁路2，呈对称弧形的小截面面积磁路3，输出线圈4，呈台阶形的小截面面积磁路5，呈对称尖锐形的小截面面积磁路6。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明专利做进一步地详细说明。

根据变压器的结构原理可知：

U≈E=4.44·f·N·B·S而P=I·U·cosφ=I·4.44·f·N·B·S

所以，功率P=4.44·f·N·B·S·I·cosφ；其中，U—电压，I—电流，cosφ—功率因数，f—输入信号频率，N—线圈匝数，B—铁心中磁感应强度最大值，S—磁芯截面积。

从变压器功率P的公式中可知，在f、N、B和I基本不变或变化不大的情况下，功率P与S—磁芯截面积成正比。功率越大，所需磁芯的截面积就越大，反之，亦然。因此，通过控制磁芯截面积S能抑制过高的功率传输信号。

在变压器中，输入和输出线圈都缠绕在环形的磁芯上，当有电信号输入时，设线圈产生的磁力线/磁通量都在磁芯中构成回路，即磁力线在磁芯中所经过的线路为磁路；磁芯构成磁路。

实施例一

图1所示，是本发明磁芯截面面积较小的磁路形状呈对称弧形的结构示意图。图中所示的是本发明的一种抑制过高功率传输的信号隔离变压器，它主要由输入线圈1、环形磁芯和输出线圈4组成。其中，环形磁芯包含两个截面大小和磁路长度不等的磁路，即一个截面面积大的磁路2和一个截面面积小的磁路3；截面面积小的磁路3的磁路长度远远小于截面面积大的磁路2的。所述的截面面积小的磁路3的形状呈对称弧状。磁芯的两上分别缠绕有输入线圈1和输出线圈4。

当图1所示的信号隔离变压器接于线路中，输入线圈1有电流流动，将在磁芯上产生磁通，因磁芯的磁路上有大小不同截面的磁路2和磁路3，相同的磁通量在磁芯的磁回路截面积最小的有源部分产生的磁感应强度最强。

随着输入线圈1的电流增大，磁芯内各有源部分的磁通量相应增大，磁场强度也将增大，此时磁芯仍未饱和，变压器处于线性传输状态。当输入线圈1的电流增大到限定值时，磁芯的截面积最小的磁路3有源部分将因磁场强度最强首先饱和，输出线圈4所输出的功率限定在一个值上。若输入线圈1的电流超过限定值并继续增大时，磁路截面积最小的磁路3有源部分的磁芯饱和区域将向对称弧状的两端扩大，磁路饱和长度扩大导致磁阻扩大，输出线圈4所输出的功率反而降低。当输入线圈1电流增大令整个磁芯全部处于饱和状态时，输出线圈4输出功率进一步降至很低。输出功率受到抑制。

实施例二

图2所示，是本发明磁芯截面面积小的磁路形状呈台阶形的结构示意图。在图中，变压器的磁芯上，分别缠绕输入线圈1和输出线圈4。所述磁芯的磁路包含两个截面大小及长度不等的磁路：磁路5和磁路6。其中，截面面积小的磁路6的磁路长度远远短于截面面积大的磁路5的。从图2中可看到，所述的磁路6是在磁路5的基础上被截去了一个凹形的块，只剩下一小块弧形的磁路，从磁通路来看象上了一个台阶往上走。

在图2结构的变压器中，随着输入线圈1的电流增大，磁芯内各有源部分的磁通量相应增大，磁场强度也将增大，磁芯呈凹状的有源部分磁场强度最大，此时磁芯仍未饱和，变压器处于线性传输状态。若输入线圈的电流不断增大到限定值时，磁芯的磁路截面积最小的磁路6将因磁场强度最强首先饱和，输出线圈4所输出的功率成阶跃状降低。当输入线圈电流增大令整个磁芯全部处于饱和状态时，输出线圈输出功率进一步降至很低。输出功率得到抑制。

实施例三

图3所示，是本发明磁芯截面面积小的磁路形状呈对称尖锐形的结构示意图。从图中可知，在该离变压器的磁芯上，分别缠绕输入线圈1和输出线圈4。所述磁芯的磁路截面大小及长度都不等，从最大截面面积的磁路7对称尖锐形变至最小截面面积的磁路8。其中，磁路8的长度最短。该结构的磁路与图1、2所示的一样，结构原理相同，也具有确保低功率正常交换及抑制高功率交换的功能。

考虑到各种应用环境及要求，上述的变压器输入输出线圈，其各个线圈间允许有不同的电感参数和匝数比。在特殊的线路要求情况下，为了确保变压器输入输出比值1:1，避免缠绕线圈导致参数出现不匹配，可以将绕制该线圈的绝缘导线与绕制其他线圈的绝缘导线相互绞扭后均匀缠绕在磁芯上。

为了提高绝缘耐压，允许两个线圈分开缠绕在磁芯的横截面积相当且对称的有源部分上，增加两个线圈之间的绝缘强度。线圈之间的绝缘耐压≥275V。

依据功能需要，允许线圈有抽头。

上面就几种典型且容易获得的磁芯形状和线圈缠绕特点等进行了分析，基于本发明原理，还可以将磁芯制作成其他各种非均匀的形状，将线圈设计呈所需要的要求，可根据实际需要进行选择。

本发明能抑制过高功率传输的原因是，磁芯的磁路上存在截面积大小不等的有源部分，磁路截面积大的有源部分的磁回路很长，绕在其上的线圈有良好的等效阻抗，确保信号正常传输；磁路截面积最小的有源部分首先满足低于限定值的功率交换不会出现饱和。当输入线圈流过电流逐渐增大时磁回路截面积最小的有源部分也逐渐接近饱和，当输入线圈流过的电流值达到限定值时磁路截面积最小的有源部分出现饱和区域，磁芯呈现饱和特性，输入线圈电流增大而输出线圈的电流不再增大。从而阻止了高于限定功率的能量交换传输到二次侧。该方案用于所需要的应用中可极大降低电路对过高功率干扰脉冲、谐波的防护成本和设计难度。

本发明的精华是利用专门设计的磁芯内磁回路截面积和形状差异的铁芯获得了不同的磁芯磁饱和状态，所涉设计的磁芯磁饱和状态用于控制信号隔离变压器输入与输出的匹配，达到满足正常信号传输与抑制过高功率的传输。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明或范围，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演、变化、修饰或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种抑制过高功率传输的信号隔离变压器，它包括环形磁芯及缠绕在磁芯上的输入

和输出线圈，其特征在于：

所述的磁芯包含至少一个截面面积大和一个截面面积小的磁路，而且截面面积大的磁

路与截面面积小的磁路长度不等；

所述截面面积大的磁路长度大于截面面积小的磁路；

所述截面面积小的磁路(6)长度远远短于截面面积大的磁路(5)；

所述截面面积小的磁路(3)形状呈对称弧形；

所述的输入线圈(1)和输出线圈(4)允许有不同的电感参数和匝数比。

2.根据权利要求1所述的抑制过高功率传输的信号隔离变压器，其特征在于：

线圈之间的绝缘耐压强度≥275V。