Transformator

Transformator - przyrząd wyzyskujący zjawisko indukcji magnetycznej do przenoszenia energii lub sygnałów z jednego obwodu elektrycznego do drugiego. Transformatory mogą być elektromagnetyczne, radiotechniczne, izolacyjne, pomiarowe a także jedno lub trój fazowe. Pierwszy transformator skonstruował w 1876 r. Paweł Jabłoczkow, a transformator trój fazowy w 1890 r. M. Daliwo - Dobrowolski.

Najtrudniejszym chyba zadaniem jest właściwy dobór transformatora, gdyż musi on uwzględniać wiele czynników mających wpływ na pracę zasilacza takich jak:

• dopuszczalny zakres zmian napięcia sieciowego czyli 230V ± 10% (to nie jest pomyłka, przyjęło się 220V gdyż tak było do tej pory, ale w związku z procesem integracji europejskiej i u nas zostały wprowadzone zmiany co do wymagań na napięcie sieci)

• spadek napięcia na prostowniku

• spadek napięcia na stabilizatorze

• minimalną wartość napięcia potrzebnego do poprawnej pracy układu stabilizatora

• straty napięcia wyjściowego wynikające z rezystancji wewnętrznej uzwojeń transformatora

• moc wyjściową zasilacza i straty mocy na poszczególnych elementach zasilacza

Przy projektowaniu zasilaczy dużą rolę odgrywa rezystancja wewnętrzna R_w uzwojeń transformatora (rysunek 1). Jest to bardzo ważny parametr, jednak najczęściej zapomina się o nim. Często słyszy się określenia, że transformator jest bardziej lub mniej „miękki”, czyli że napięcie wyjściowe zmniejsza się przy zwiększaniu obciążenia. Za taki efekt odpowiedzialna jest właśnie rezystancja uzwojeń.

Rezystancję wewnętrzną można obliczyć na podstawie podawanych przez producenta transformatorów wartości znamionowych napięć i prądów (U_nsk, I_nsk - są to wartości skuteczne) oraz współczynnika Su określającego spadek napięcia przy obciążeniu znamionowym. Współczynnik S_u nie zawsze jest podawany, ale można go wliczyć znając napięcie biegu jałowego U_0sk (bez obciążenia), które wystarczy zmierzyć.

S_u = U_0sk / U_nsk

Korzystając z tego wzoru można wyliczyć rezystancję wewnętrzną R_w transformatora.

R_w = (U_0sk - U_nsk) / I_nsk

Rezystancja wewnętrzna transformatora ma wpływ na:

• spadek napięcia wyjściowego transformatora pod obciążeniem

• prąd szczytowy przewodzenia diody w układzie zasilacza, a co za tym idzie również na spadek napięcia na diodzie

Aby w pełni zrozumieć, jakie znaczenie ma rezystancja wewnętrzna transformatora najlepiej jest przeanalizować przykład porównujący pracę transformatora obciążonego rezystancją obciążenia R_L (wykres 2) i pracę transformatora w układzie zasilacza z prostowaniem dwupołówkowym obciążonego tą samą rezystancją R_L (rysunek 3).

Układ z rysunku 2 jest to po prostu transformator obciążony rezystancją RL. Prąd I płynący przez obciążenie R_L zależy bezpośrednio od wartości tego obciążenia i napięcia U na wyjściu transformatora. Jak widać na przebiegach prąd I płynie bez przerwy i w obu kierunkach - jest to też sinusoida jak i dla napięcia U. Napięcie U pod obciążeniem jest nieco niższe od napięcia biegu jałowego i zależy od spadku napięcia na rezystancji wewnętrznej wywołanego prądem I.

Zupełnie inaczej sprawa przedstawia się, gdy transformator pracuje z prostownikiem tak jak na rysunku 3. W tym układzie prąd I, który wypływa z transformatora nie jest już tylko zależny od obciążenia R_L. Prąd ten płynie tylko w krótkim czasie, gdy napięcie na kondensatorze spadnie na, tyle aby umożliwić przewodzenie mostka prostowniczego i doładowanie kondensatora. Jak widać na przebiegach z rysunku 3 wartość prądu I doładowującego kondensator jest dużo większa niż dla układu z rysunku 2. Przy tak dużej chwilowej wartości prądu płynącego przez uzwojenie wtórne transformatora spadek napięcia na rezystancji wewnętrznej jest dużo większy niż na rysunku 2. Większy prąd powoduje, więc znaczny spadek napięcia wyjściowego transformatora. Wydawałoby się, że lepiej jest stosować w takim razie sztywne transformatory (o małej rezystancji uzwojeń), ale to z kolei sprawi, że popłynie większy prąd przez mostek prostowniczy powodując zwiększenie spadku napięcia na przewodzących diodach nawet dwukrotnie. Dla typowych diód z rodziny 1N4001 … 1N4007 będzie to oznaczało zwiększenie spadku z 1V (przy 1A) nawet do ponad 1,5V, co dla układu mostkowego da obniżenie napięcia wyjściowego zasilacza nawet o 3V.

Podsumowując nie da się określić, wprost jakie będzie naprawdę napięcie wyjściowe z prostownika. Będzie ono na pewno niższe niż wynikałoby to z prostego przemnożenia katalogowej wartości napięcia nominalnego U_nsk pomnożonego przez pierwiastek z dwóch. Dlatego należy dobierać transformator o mocy większej niż wynikałoby z porównania mocy wyjściowej jaką potrzebujemy z katalogową wartością mocy transformatora. Niektóre prace poświęcone tym zagadnieniom podają, że różnica ta powinna być nawet dwukrotna, takie podejście jest moim zdaniem trochę przesadzone.

Na moc prądu stałego dla układu z rysunku 3 składa się moc oddawana do obciążenia, czyli I_L·U_L i moc strat na prostowniku, czyli 2U_D·I_L, gdzie I_L jest średnim prądem obciążenia, a U_D to spadek napięcia na diodzie przy prądzie I_L. Ponieważ zgodnie z wcześniejszymi rozważaniami wartość chwilowa prądu ładowania kondensatora jest dużo większa od wartości średniej prądu I_L, to aby nie dopuścić do przekroczenia dopuszczalnej mocy strat transformatora jego moc znamionowa powinna być większa od mocy prądu stałego, co można przedstawić wzorem:

P_Tr = α ·I_L ·(U_L + 2U_D)

gdzie α jest współczynnikiem umożliwiającym uwzględnienie większej wartości skutecznej prądu. Dla układu jak na rysunku 3 współczynnik ten powinien wynosić 1,2. W praktyce lepiej jest przyjąć 1,5 co oczywiście będzie skutkowało większymi wymiarami transformatora, ale da w zamian lepszą sprawność układu.

Dla zasilacza, który wspólnie można zaprojektować bilans mocy potrzebny do określenia mocy transformatora można przeprowadzać dopiero po wyborze układów prostowników i ich ilości oraz układów stabilizatorów i określeniu wartości napięć wyjściowych transformatora.

Teraz należy się zastanowić ile uzwojeń wtórnych powinien mieć transformator, który będziemy chcieli zastosować. Dla zasilacza, którego parametry i zastosowanie określiłem wcześniej dobrze jest zastosować transformator o trzech uzwojeniach wtórnych - symbol takiego transformatora jest pokazany na rysunku 4. Dwa uzwojenia będą o takiej samej wartości napięcia oraz obciążalności i będą służyły do uzyskania napięć zasilacza ±12V, trzecie uzwojenie będzie służyło dla uzyskania napięcia +5V - wartość napięcia tego uzwojenia będzie mniejsza niż pozostałych dwóch.

Wybór takiego transformatora pozwoli na zmniejszenie jego mocy (niższe napięcie jednego z uzwojeń) oraz na separację poszczególnych zasilań od siebie co nieraz może się przydać. Pociąga to oczywiście za sobą konieczność użycia trzech prostowników ale przy obecnych cenach tych elementów nie jest to duży wydatek. wydatek przypadku gdy masa układu zasilanego z naszego zasilacza będzie wspólna, wystarczy przewidzieć w konstrukcji obudowy zasilacza zewnętrzne zwory umożliwiające połączenie mas poszczególnych napięć zasilacza. Do realizacji napięć ±12V można by użyć jednego prostownika stosując układ z tak zwanym dzielonym uzwojeniem wtórnym (rysunek, 5) ale wówczas pozbawimy się możliwości separacji tych zasilań. Ostateczny wybór i tak będzie zależny od możliwości zakupu właściwego transformatora.

- 4 -

---