ترانسفورماتور سرعتی: ترانسفورماتور پالسی چیست و چرا شکل موج Fidelity نسبت ولتاژ را می زند

مقدمه

احتمالاً یک ترانسفورماتور را به عنوان یک دستگاه آهنی درشت تصور می کنید که بی سر و صدا 230 ولت را برای شارژر تلفن به 12 ولت کاهش می دهد. یک ترانسفورماتور پالسی دارای شخصیت مخالف است: کوچک است، با ده ها کیلوهرتز تا مگاهرتز کار می کند، و به جای ارائه توان ثابت، ولتاژ سریع و شدیدی را ارائه می دهد و سپس متوقف می شود. تمام کار آن این است که یک پالس کوتاه را از یک مدار به مدار دیگر منتقل کند و در عین حال شکل آن پالس را دست نخورده نگه دارد - و به همان اندازه مهم است، در حالی که دو مدار را از نظر الکتریکی ایزوله نگه می دارد.

برای مبتدیان: تصور کنید که پیامی را با استفاده از دو قوطی حلبی و یک ریسمان از دیوار عبور دهید. یک ترانسفورماتور معمولی مانند عبور یک زمزمه ثابت از دیوار است. یک ترانسفورماتور پالس مانند بیرون آوردن یک "نقطه" واضح با کد مورس است - شیر باید تیز و به موقع برسد، نه لکه دار شود. اگر لبه ها گرد شوند، پیام گم می شود.

اصل و انواع

ترانسفورماتور پالس همچنان از قانون فارادی پیروی می کند، اما برای سیگنال های گذرا و معمولا تک قطبی ساخته شده است. هسته (فریت یا نانو کریستال) به همراه سیم‌پیچ‌های دو رشته‌ای یا مقطعی محکم ، اندوکتانس نشتی انگلی و ظرفیت درهم پیچیدن را پایین نگه می‌دارد، بنابراین لبه‌های سریع گرد نمی‌شوند.

از آنجایی که درایو اغلب تک قطبی است (جریان فقط در یک جهت)، شار هسته در یک جهت حرکت می کند و باید در هر چرخه تنظیم مجدد شود - یا اشباع می شود. به همین دلیل است که محصول ولت-ثانیه (ET) - مساحت زیر ولتاژ اولیه ضربدر به موقع آن - مهمترین محدودیت طراحی است. از آن فراتر رفته و هسته اشباع می شود، جریان مغناطیسی بالا می رود و درایور بیش از حد گرم می شود. ترانسفورماتورهای پالسی سیگنال کوچک معمولاً در محدوده 50-500 V·µs درجه بندی می شوند (به عنوان مثال، Coilcraft GA3209)، در حالی که یک قطعه درایو گیت ممکن است برای مدت زمان طولانی به 1-3 V·s نیاز داشته باشد.

انواع متداول شامل ترانسفورماتورهای گیت-درایو (درایوهای MOSFET/IGBT)، ترانسفورماتورهای اترنت/PoE (1:1، ~350 µH، IEEE 802.3at/bt)، ترانسفورماتورهای پالس ولتاژ بالا پزشکی (اشعه ایکس، CT)، ترانسفورماتورهای پالس رادار ، و کویل احتراق فروتن هستند.

مثال کاربردی

در یک اینورتر MOSFET/IGBT، کنترل کننده در سمت ولتاژ پایین زندگی می کند، اما کلید برق در صدها ولت شناور است. یک ترانسفورماتور پالسی گیت درایو فرمان روشن/خاموش شدید را در سراسر آن مانع جداسازی حمل می‌کند - تا چندین کیلوولت ایزولاسیون (به عنوان مثال، Coilcraft ZG3504: 2800 Vrms، 4000 VDC hipot) - و آن را با لبه‌های نانوثانیه‌ای سریع تحویل می‌دهد تا خط‌های اتلاف آن را به طور کامل روشن کند.

معیارهای انتخاب برای مهندسان: مطابقت با فرکانس کاری و عرض پالس. رتبه بندی ET (ولت-ثانیه) را در برابر V_drive × t_on بررسی کنید. یک ولتاژ جداسازی برای مانع انتخاب کنید. DCR و نشتی را کم نگه دارید. و ظرفیت درون‌پیچ را تماشا کنید، که ایمنی گذرا حالت مشترک (CMTI) را در سوئیچینگ سریع تنظیم می‌کند.

تصور غلط رایج و واقعیت جالب

تصور غلط: "هر ترانسفورماتور می تواند یک پالس را عبور دهد." یک ترانسفورماتور صوتی یا سیگنال استاندارد برای AC دوقطبی طراحی شده است. یک پالس تک قطبی طولانی به آن می دهد و در عرض میکروثانیه اشباع می شود زیرا بودجه ولت-ثانیه آن ناچیز است. ترانسفورماتور پالس به طور خاص برای انجام این کار طراحی نشده است.

واقعیت جالب: سیم پیچ احتراق تقریباً در هر اتومبیل بنزینی به معنای واقعی کلمه یک ترانسفورماتور پالس است. انرژی را در اولیه خود ذخیره می کند، سپس یک ~20 تا 40 کیلو ولت سنبله را به شمع می ریزد. ماشین شما بیش از یک قرن است که روی فیزیک ترانسفورماتور پالس کار می کند.