DE69204085T2 - Transformator. - Google Patents

Transformator.

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DE69204085T2
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windings
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Philips Electronics NV
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/34Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
    • H01F27/38Auxiliary core members; Auxiliary coils or windings
    • HELECTRICITY
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    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F17/00Fixed inductances of the signal type 
    • H01F17/04Fixed inductances of the signal type  with magnetic core
    • H01F17/06Fixed inductances of the signal type  with magnetic core with core substantially closed in itself, e.g. toroid
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01F30/00Fixed transformers not covered by group H01F19/00
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    • H01F30/16Toroidal transformers

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Transformator mit einem Kern aus weichmagnetischem Material, mit einer ersten Wicklung und einer zweiten Wicklung, die damit stark gekoppelt ist, wobei jede Wicklung aus wenigstens einem drahtförmigen Leiter besteht.
  • Ein Beispiel eines derartigen Transformators ist aus PIRE 47 Nr. 8 (August 1959), S. 1337...1342, bekannt. In vielen Fällen ist es wunschenswert, die Streuinduktivität des Transformators zu minimisieren, d.h. die Kopplung zwischen den Wicklungen ist möglichst hoch. Diese Anforderung muß in einem großen Frequenzbereich erfüllt werden, wenn der Transformator in einem System mit einer großen Bandbreite zu verwenden ist. Die erwähnte Veröffentlichung gibt eine Beschreibung von Schritten zum Vergrößern der Kopplung, beispielsweise durch die Verdrillung der Leiter, die die Wicklungen bilden. Außerdem kann die Verwendung eines Toroidtransformatorkerns ebenfalls zur Vergrößerung der Kopplung beitragen. In der Praxis wurde jedoch gefunden, daß Gesamtkopplung der Wicklungen sich nicht auf geeignete Weise erzielen läßt, so daß etwas Streuinduktivität unvermeidbar ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Transformator eingangs erwähnter Art zu schaffen, in dem der Effekt der Streuinduktivität in einem großen Frequenzbereich beseitigt werden kann. Zur Lösung dieser Aufgabe ist der erfindungsgemäße Transformator dadurch gekennzeichnet, daß er eine dritte Wicklung enthält, die mit der ersten Wicklung und mit der zweiten Wicklung gekoppelt ist und mit Klemmen versehen ist, die über einen Kondensator miteinander verbunden werden, wobei die Leiter, die die erste Wicklung, die zweite Wicklung und die dritte Wicklung bilden, über wenigstens einen Abschnitt ihrer Länge zur Vergrößerung der Kopplung zwischen den Wicklungen verdrillt werden.
  • Wenn der Wert des Kondensators geeignet gewählt wird, kann der Effekt der Streuinduktivität in einem vorgegebenen Frequenzbereich durch den Effekt des Kondensators auf geeignete Weise beseitigt werden. An sich ist bekannt, daß die Verdrillung der Leiter die Kopplung zwischen den Wicklungen vergrößert, so daß einerseits die mit Hilfe des Kondensators auszugleichende Streuinduktivität minimisiert wird, während zum anderen der Kondensator möglichst wirksam mit der Streuinduktivität in Reihe geschaltet wird, und eine Belastung mit der zweiten Wicklung verbunden wird, was weiter unten näher erläutert wird.
  • Es sei bemerkt, daß ein Transformator mit einer dritten Wicklung mit einem zwischen seinen Klemmen angeschlossenen Kondensator an sich aus US-A-4 339 706 bekannt ist. Jedoch muß in diesem Transformator die Streuinduktivität einen gut definierten Wert haben, die nicht möglichst klein ist. Magnetische Nebenschlüsse werden zum Vergrößern der Streuinduktivität vorgesehen.
  • Es kann vorteilhaft sein, den Kondensator variabel herzustellen.
  • Für hohe Frequenzen läßt sich annehmen, daß der Kondensator in Reihe mit der Streuinduktivität und mit der Belastung angeschlossen wird. Daher ist es vorteilhaft, wenn die Anzahl der Windungen der dritten Wicklung gleich der der zweiten Wicklung ist. Der Kondensator hat dabei seinen wirklichen Wert in der Reihenschaltung statt eines durch Transformation erhöhten oder verringerten Werts.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
  • Fig. 1 einen Schaltplan eines bekannten Transformators und einer damit verbundenen Belastung,
  • Fig. 2 ein gleichwertiges Diagramm des in Fig. 1 dargestellten Transformators,
  • Fig. 3 ein gleichwertiges Diagramm einer abgewandelten Ausführung des Transformators nach Fig. 1,
  • Fig. 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Betriebs der Abwandlung nach Fig. 3,
  • Fig. 5 ein gleichwertiges Diagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Transformators,
  • Fig. 6 einen Schaltplan einer Schaltung, in der zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Transformators verwendet werden, und
  • Fig. 7 den Aufbau eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Transformators.
  • In Fig. 1 ist ein Schaltplan eines bekannten Transformators 1 mit einer ersten Wicklung 3 und einer zweiten Wicklung 5 dargestellt, die auf einem Kern 7 aus einem weichmagnetischen Material, beispielsweise Ferrit, angebracht sind. Eine Belastung 11 ist über die Ausgangsklemmen 9 mit der zweiten Wicklung 5 verbunden. Die erste Wicklung 3 ist mit den Eingangsklemmen 13 verbunden. Wenn der Strom in der ersten Wicklung 3 gleich i&sub1; zu einem vorgegebenen Zeitpunkt und in der zweiten Wicklung 5 gleich i&sub2; ist, ist der Magnetfluß in der ersten Wicklung und in der zweiten Wicklung gleich Φ&sub1; bzw. Φ&sub2;, wobei folgende Beziehung gilt:
  • Hierin ist M die gegenseitige Induktivität der zwei Wicklungen, ist K der Kopplungsfaktor und sind L&sub1; und L&sub2; die Induktivitäten der ersten bzw. der zweiten Wicklung. Für einen idealen Transformator ist K = 1. Jedoch ist K in der Praxis immer kleiner als 1, da die Kopplung zwischen den zwei Wicklungen nicht einwandfrei ist. Im gleichwertigen Diagramm nach Fig. 2 ist der Transformator 1 als idealer Transformator 15 mit einer ersten Wicklung 17, mit der eine Spule 19 mit einer Induktivität L&sub1; parallelgeschaltet ist, und mit einer zweiten Wicklung 21 dargestellt, mit der eine Spule 23 in Reihe geschaltet ist. Die Spule 23 stellt den Effekt des Kopplungsfaktors K dar. Ihre Induktivität Ls ist gleich L&sub2; (1-K²). Dies wird mit Streuinduktivität bezeichnet. Der ideale Transformator 15 besitzt einen Koppelfaktor K gleich 1 und ein Transformationsverhältnis gleich L&sub1;/M:1. Wenn die Belastung beispielsweise ein Widerstand R ist, wird die zwischen den Eingangsklemmen 13 gemessene Leitfähigkeit Y wie folgt aussehen:
  • Hierin ist ω = 2πf, worin f die Frequenz einer an die Eingangsklemmen 13 gelegte Sinuswechselspannung ist. Aus obiger Gleichung ist ersichtlich, daß die Leitfähigkeit Y bei ansteigender Frequenz f abfällt. Dieser Abfall ist größer, wenn K kleiner ist. Die Änderung von Y kann Reflektionen verursachen, da bei höheren Frequenzen die Impedanz der vom Transformator mit der Belastung R gebildeten Schaltung immer weiter abweicht von der Impedanz einer mit den Eingangsklemmen 13 verbundenen Quelle, beispielsweise eines Leiters eines Zentralantennensystems.
  • Der Effekt der Streuinduktivität kann grundsätzlich durch Anschließen eines geeigneten Kondensators 25 in Reihenschaltung mit der Spule 23 nach Angabe im gleichwertigen Diagramm nach Fig. 3 reduziert werden. Der Wert Cs des Kondensators 25 wird derart gewählt, daß für eine vorgegebene Frequenz f&sub0; folgendes gilt:
  • ω20LsCs = 1
  • Fur die Frequenz f&sub0; ist die über die Eingangsklemmen 13 gemessene Impedanz dabei gleich R, wenn der Transformator 15 ein Übersetzungsverhältnis 1 : 1 besitzt. Die Änderung der Impedanz Z = 1/Y abhängig von der Frequenz f ist in Fig. 4 dargestellt. Aus dieser Figur ist ersichtlich, daß die Impedanz einen Mindestwert R für die gewählte Frequenz f&sub0; hat und für höhere und niedrigere Frequenzen ansteigt. Dies ist unerwünscht, wenn die Schaltung auch bei verhältnismäßig niedrigen Frequenzen richtig arbeiten soll. Daher kann unter derartigen Umständen die beschriebene Lösung unter Verwendung eines Kondensators 25 in Reihenschaltung mit der Belastung 11 nicht benutzt werden.
  • In Fig. 5 ist ein Schaltplan eines Transformators 27 dargestellt, der nicht die beschriebenen Nachteile hat. Neben einer ersten Wicklung 29 und einer zweiten Wicklung 31 enthält der Transformator 27 eine dritte Wicklung 33, der mit Verbindungsklemmen 35 ausgerüstet ist, die über einen Kondensator 37 miteinander verbunden sind, der vorzugsweise entsprechend der Darstellung variabel ist. Die Kopplung zwischen den drei Wicklungen 29, 31 und 33 ist möglichst groß, wodurch die Streuinduktivität minimisiert wird. Da der Kondensator 37 mit der dritten Wicklung 33 verbunden ist, ist er nicht mit der Belastung 11 für niedrige Frequenzen in Reihe damit geschaltet, so daß die über die Eingangsklemmen 3 gemessene Impedanz bei niedrigen Frequenzen nicht ansteigt. Jedoch können bei hohen Frequenzen der Kondesnator 37, die Belastung 11 und die Streuinduktivität 23 als in Reihenschaltung betrachtet werden, so daß für die gewählte Frequenz beim Einstellen des Kondensatorwerts die über die Eingangsklemmen gemessene Impedanz gleich R ist (vorausgesetzt, das Übersetzungsverhältnis ist 1 : 1). Durch diese große Kopplung zwischen den drei Wicklungen ist der Wert der Streuinduktivität Ls sehr niedrig, so daß die Schaltungsqualität ω0Ls/R ebenfalls sehr niedrig ist. Dadurch ist die vom Kondensator 37 eingeführte Streuinduktivitätausgleich in einem verhältnismäßig großen Frequenzbereich wirksam.
  • In Fig. 6 ist ein Beispiel einer Schaltung mit zwei Transformatoren dargestellt, deren Streuinduktivität auf die anhand der Fig. 5 beschriebene Weise ausgeglichen wird. Die Schaltung enthält ein Modul 39 für ein Zentralantennensystem, das über einen Eingangstransformator 41 und einen Ausgangstransformator 43 mit dem System gekoppelt ist. Die Belastung 11 wird durch das ausgehende Kabelsystem dargestellt. Das ankommende Antennensystem wird mit einer Spannungsquelle 45 mit einer Innenimpedanz 47 dargestellt. Der Eingangstransformator 41 enthält eine Primärwicklung 49, eine Sekundärwicklung 51 und eine Ausgleichswicklung 53, an die ein variabler Kondensator 55 angeschlossen ist. Das Transformationsverhältnis ist ungleich 1 (beispielsweise 6 : 5) und zum Reduzieren der Streuinduktivität besteht die Sekundärwicklung aus zwei drahtförmigen Leitern auf die in der vorangehenden niederländischen Patentanmeldung 90 02 005 (PHN 13.437) beschriebene Weise. Die Ausgleichswicklung 53 enthält die gleich Windungszahl wie die Primärwicklung 49. Die die Wicklungen bildenden Leiter werden über einen möglichst großen Abschnitt ihrer Länge verdrillt, um die Kopplung zwischen den Wicklungen auf ein Maximum zu bringen. Der Ausgangstransformator 43 enthält eine Primärwicklung, eine Sekundärwicklung 59 und eine Ausgleichswicklung 61, an die ein variabler Kondensator 63 angeschlossen ist. Die Sekundärwicklung 59 und die Ausgleichswicklung 61 enthalten dieselbe Windungszahl und die Primärwicklung 57 besteht aus zwei reihengeschalteten Unterwicklungen mit einem Mittenabzweig 65, an die eine Gleichspannung zum Speisen des Moduls 39 gelegt wird.
  • Der Aufbau des Ausgangstransformators 43 ist in Fig. 7 dargestellt. Der Ausgangstransformator 43 enthält einen Toroidkern 7 aus Ferrit, auf dem vier drahtförmige Leiter 69, 71, 73 und 75 gewickelt sind, die möglichst weit verdrillt sind. Die Leiter 69 und 71 bilden die Primärwicklung 57, der Leiter 73 bildet die Sekundärwicklung 59 und der Leiter 75 bildet die Ausgleichswicklung 61. Die Isolation wurde von den freien Enden der Leiter 69...75 entfernt und diese Enden wurden mit Zinn bedeckt.

Claims (3)

1. Transformator mit einem Kern (7) aus einem weichmagnetischem Material, mit einer ersten Wicklung (29) und einer zweiten Wicklung (31), die damit gekoppelt ist, wobei jede Wicklung aus wenigstens einem drahtförmigen Leiter besteht, die Leiter, die die erste Wicklung und die zweite Wicklung bilden, miteinander über wenigstens einen Abschnitt ihrer Länge verdrillt sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Wicklung (33) vorgesehen ist, der mit der ersten Wicklung (29) und der zweiten Wicklung (31) gekoppelt ist, und mit Klemmen (35) versehen ist, die über einen Kondensator (37) miteinander verbunden sind, wobei die Leiter, die die erste Wicklung (29), die zweite Wicklung (31) und die dritte Wicklung (33) bilden, über wenigstens einen Abschnitt ihrer Länge zum Vergrößern der Kopplung zwischen den Wicklungen verdrillt sind.
2. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (37) ein variabler Kondensator ist.
3. Transformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungszahl der dritten Wicklung (33) gleich der der zweiten Wicklung (31) ist.
DE69204085T 1991-02-13 1992-02-04 Transformator. Expired - Lifetime DE69204085T2 (de)

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DE69204085D1 DE69204085D1 (de) 1995-09-21
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EP (1) EP0499311B1 (de)
JP (1) JPH04317307A (de)
KR (1) KR100217802B1 (de)
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EP0499311A1 (de) 1992-08-19
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Representative=s name: EISENFUEHR, SPEISER & PARTNER, 10178 BERLIN

8327 Change in the person/name/address of the patent owner

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