Изолирующие и нейтрализующие трансформаторы

Как показано на фиг. 3.19, а, при заземлении обоих концов цепи образуется контур заземления. Этот контур можно разорвать, применив изолирующий трансформатор (фиг. 3.19,б). Однако в

Фиг. 3.18. Схемы заземления экранированных витых пар проводов и коаксиального кабеля на низких частотах.

Фиг. 3.19. Образование контура заземления между двумя цепями (а) и его разрыв при помощи изолирующего трансформатора (б).

некоторых схемах требуется, чтобы между двумя цепями была связь по постоянному току или на очень низкой частоте, и тогда изолирующий трансформатор использовать нельзя. В этих условиях трансформатор можно применять в качестве дросселя (фиг. 3.20); его называют также нейтрализующим или симметрирующим трансформатором. Включенный таким образом трансформатор представляет для сигнального тока малый импеданс и позволяет передавать постоянный ток. Однако для любого продольного (синфазного) тока шумов трансформатор имеет высокий импеданс.

Сигнальный ток (фиг. 3.20) имеет в обоих проводниках одинаковую величину, но противоположное направление. Такой ток является желательным; его называют током дифференциальной или двухпроводной цепи¹⁾. Токи шумов текут по обоим проводникам в одинаковом направлении и носят название продольных или синфазных токов.

Работу схемы на фиг. 3.20 можно проанализировать, обратившись к эквивалентной схеме. Генератор напряжения U_r представляет

1) В советской технической литературе его называют полезным сигналом. Однако подобным образом могут быть приложены и некоторые помехи, называемые поперечными. — Прим. Ред.

Фиг. 3.20. Схема разрыва контура заземления при помощи нейтрализующего трансформатора.

а — физическое представление; б — эквивалентная схема.

собой напряжение сигнала, которое подается к нагрузке R_н по проводникам с сопротивлением R_пр1 и R_пр2. Нейтрализующий трансформатор представлен двумя индуктивностями L₁ и L₂ и коэффициентом взаимоиндукции М. Если обе обмотки трансформатора идентичны и расположены рядом на одном сердечнике, то L₁, L₂ и M равны между собой. Генератор напряжения U₃ представляет собой продольное напряжение, возникающее либо из-за магнитной наводки в контуре заземления, либо из-за разности потенциалов Земли. Поскольку сопротивление проводника R _{пр 1} включено последовательно с R_H и много меньше последнего, им можно пренебречь.

Вначале определим чувствительность схемы к напряжению сигнала UT, пренебрегая влиянием U₃. Схему на фиг. 3.20, б можно -преобразовать в схему, показанную на фиг. 3.21. Полученная схема идентична схеме на фиг. 2.17. Ранее было отмечено, что на частотах выше = 5R_пp2/L₂ практически весь ток Ir возвращается к источнику через второй проводник, а не через шасси заземления. Если L₂ выбрана таким образом, что самая низкая частота

Фиг. 3.21. Вспомогательная эквивалентная схема для анализа чувствительности схемы на фиг. 3.20 к напряжению сигнала U_r.

сигнала будет больше 5 R_пр2/L₂ рад/с, то I₃=0. При этих условиях напряжения в верхнем контуре схемы фиг. 3.21 можно просуммировать следующим образом:

U_r=j (3.8)

Поскольку L₁=L₂=М, разрешив это уравнение относительно I_r получим

(3.9)

для R_н R_пр2. Уравнение (3.9) подобно уравнению в отсутствие-трансформатора. Следовательно, трансформатор не влияет на передачу сигнала до тех пор, пока его индуктивность достаточно велика, так что частота сигнала больше, чем 5R_пр2/L₂

Реакцию схемы, представленной на фиг. 3.20, на воздействие продольного напряжения U₃ можно определить, рассмотрев эквивалентную схему, показанную на фиг. 3.22. Если бы трансформатор отсутствовал, все напряжение U₃ выделялось бы на R_н.

При наличии трансформатора напряжение шумов, падающее на R_н, можно определить, составив уравнения для двух контуров.

показанных на рисунке. Суммируя напряжения по внешнему контуру, получим

U₃=j L₁I₁+j + (3.10)

Сумма напряжений вдоль нижнего контура равна

(3.11)

Фиг. 3.22. Вспомогательная эквивалентная схема для анализа чувствительности схемы на фиг. 3.20 к продольному (синфазному) напряжению

Уравнение (3.11) можно разрешить относительно I2:

Учитывая, что L_l = L₂=M = L, подставим уравнение (3.12) в уравнение (З.10); разрешив последнее относительно I₁, получим

(3.13)

Напряжение шумов U_ш равно I₁R_н, и, поскольку R_пр2 обычно намного меньше R_н, можно записать, что

(3.14)

На фиг. 3.23 показана зависимость U_ш/U₃ от частоты . Чтобы уменьшить напряжение шумов, R_пр2 следует делать как можно меньшим, а индуктивность трансформатора L должна быть такой, чтобы выполнялось неравенство

(3.15)

где — частота шумов. Трансформатор должен иметь достаточно большой сердечник, чтобы любые несбалансированные постоянные токи, проходящие по цепи, не вызывали его насыщения.

Продольный дроссель, или нейтрализующий трансформатор,, показанный на фиг. 3.20, можно выполнить очень просто — в виде нескольких витков проводников вокруг магнитного кольца, соединяющих две схемы (фиг. 3.24). На один и тот же сердечник можно наматывать сигнальные проводники от нескольких схем, не опасаясь их взаимного влияния (перекрестных помех). Таким образом, один сердечник можно использовать в качестве нейтрализующего трансформатора для многих схем. Типичный нейтрализующий трансформатор, применяемый на телефонной станции, может обслуживать 25—50 цепей.