Fundamenty Elektroniki
W tym liście nadal będę Cię
namawiał do zapoznania się
z zasilaczami impulsowymi.
Temat jest może trudny,
ale już teraz wyobraz
sobie
swoją radość, gdy wreszcie
wszystko zrozumiesz!
Czytaj więc!
Przetwornice impulsowe
 ogólnie
Podstawowymi schematami elekt- lać całą wodę z jednej beczki do drugiej. ciu półlitrowego kubka musiałbyś mniej
rycznymi przetwornic indukcyjnych za- Zapewne użyjesz jakiegoś naczynia: mo- więcej 20-krotnie zwiększyć częstotli-
jmiemy się w przyszłości, więc jeśli nie że wiadra albo półlitrowego kubka. A mo- wość napełniania i opróżniania kubka.
rozumiesz szczegółów, nie przejmuj się. że zechcesz wykonać to za pomocą ły- A przy użyciu łyżeczki? Zapewne nie na-
W tym liście chcę ci tylko pokazać pewne żeczki od herbaty? dążyłbyś machać ręką tak szybko...
ogólne zasady i zależności. Zastanów się: jeśli używając różnych Nie śmiej się jednak z łyżeczki od her-
Nas interesować będzie w tej chwili naczyń, chciałbyś osiągnąć zawsze jedna- baty. Jeśli jakimś cudem potrafiłbyś ma-
moc, jaką może przenieść dana przetwor- kową wydajność, to musiałbyś zmieniać chać łyżeczką dostatecznie szybko, także
nica, a jeszcze bardziej kwestia, jaką cew- częstotliwość przelewania. Przy użyciu przy użyciu łyżeczki uzyskałbyś wymaga-
kę zastosować do przetwornicy. Na razie wiadra, jednorazowo gromadzącego 10 ną wydajność.
zapomnij o sprawie napięć: czy napięcie litrów, częstotliwość będzie mała. Żeby Mamy więc szerokie możliwości wy-
wyjściowe ma być wyższe, czy niższe do taką samą wydajność utrzymać przy uży- boru: albo duże wiadro i mała częstotli-
napięcia zasilającego. To akurat jest teraz
najmniej ważne.
Przetwornica indukcyjna może pod-
wyższyć lub obniżyć napięcie, i to ze
sprawnością dochodzącą do 90%, lub
nawet więcej.
W zasilaczu lub przetwornicy impulso-
wej (zarówno pojemnościowej, jak induk-
cyjnej) generalna zasada działania jest na-
stępująca:
· ze z
ródła zasilania pobierana jest porcja
energii  porcja ta jest magazynowana
w kondensatorze lub cewce.
· zmagazynowana energia przekazywana
jest do obciążenia.
Zazwyczaj mamy do czynienia z prze-
twornicami pracujÄ…cymi w takim dwufa-
zowym cyklu pracy. W pierwszej fazie
energia jest pobierana ze z
ródła zasilania,
w drugiej  przekazywana do obciążenia.
A po drodze dokonuje siÄ™, niejako przy
okazji, zmiana poziomów napięć  do-
kładnie tak, jak to sobie zaplanował kon-
struktor.
Teraz podam ci prostÄ… ilustracjÄ™ pracy
przetwornicy czy zasilacza impulsowego
r
y
s
u
n
e
k
5
(zobacz rysunek 5):
Masz dwie beczki  jedną pełną wody,
Rys. 5. Ilustracja zasady działania przetwornicy impulsowej
drugÄ… pustÄ…. Twoim zadaniem jest prze-
68 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 11/97
Listy od Piotra
L
i
s
t
y
o
d
P
i
o
t
r
a
wość, albo łyżeczka i bardzo duża częs- W każdym razie, jeśli chodzi o przetwor- Przeanalizuj teraz rysunek 6 i zauważ,
totliwość. A może coś pośredniego? nice impulsowe, mamy już jedno ograni- że ferryt F-2002 ma dobre parametry,
W praktyce interesuje nas przede czenie: wzrost strat w tranzystorach, ze czyli małe straty, przy częstotliwościach
wszystkim moc, jaką może przenieść da- wzrostem częstotliwości przełączania. nie przekraczających 100kHz. Ale jakie
ny zasilacz lub przetwornica (czyli wydaj- Przyjrzymy się teraz po kolei wszyst- parametry (ściślej biorąc  jakie straty)
ność przelewania wody), a nie tyle ener- kim pozostałym ograniczeniom. miałby ten ferryt przy częstotliwościach
gia jednorazowo gromadzona w cewce rzędu dziesiątek megaherców? Wcale
Właściwości materiałów
(pojemność naczynia używanego do nie zaznaczono tego na rysunku, bo stra-
magnetycznych
przelewania). ty byłyby bardzo duże  ferryt ten nie na-
Obliczyć moc? Nic trudnego. Wystar- Materiał z tego śródtytułu przeznaczo- daje się do pracy przy tak dużych częstot-
czy pomnożyć ilość energii, czyli porcję, ny jest dla osób, które już miały jakiś kon- liwościach. Z przebiegu krzywej charakte-
gromadzoną w jednym cyklu, przez ilość takt z tymi zagadnieniami. Jeśli czegoś rystyki widać, że straty gwałtownie rosną
cykli w ciągu sekundy (czyli częstotli- nie zrozumiesz, nie wpadaj w panikę. po przekroczeniu częstotliwości 100kHz.
wość) i już mamy moc! To wszystko! Zrozumiesz to póz
niej, a podany materiał Co to oznacza w praktyce?
P=E* f nie jest niezbędny do zaprojektowania W przypadku obwodu rezonansowe-
gdzie E  energia gromadzona w cewce prostej przetwornicy napięcia. go, wskutek strat w rdzeniu nie udało-
w jednym cyklu, f  częstotliwość. Na pewno zastanawiałeś się już, czym by się osiągnąć przyzwoitej wartości
Dokładnie tak samo ma się sprawa różnią się poszczególne materiały stoso- dobroci Q. Filtr zbudowany z takim
z przetwornicami pojemnościowymi, jak wane na rdzenie magnetyczne. Dlaczego rdzeniem miałby kiepskie właściwości
i indukcyjnymi. do budowy transformatorów sieciowych filtrujące.
Zapominamy jednak o przetwornicach stosuje siÄ™ rdzenie z blach, a nie rdzenie Natomiast w przypadku przetwornicy,
pojemnościowych  ich działanie jest ferrytowe? Czym różnią się poszczególne w rdzeniu wydzielałaby się bardzo duża
proste i nie ma potrzeby się nimi zajmo- rodzaje ferrytów? Czym tak naprawdę moc strat i temperatura rdzenia wzrosła-
wać. Zasada działania przetwornic po- różni się ferryt o oznaczeniu F-2002 od by nawet do kilkuset stopni Celsjusza.
jemnościowych podana była przed dwo- ferrytu U-11? Nie mów:  niech sobie rośnie ! Czy sły-
r
y
s
u
n
e
k
6
ma miesiącami w EdW w Klubie Kon- Popatrz na rysunek 6. szałeś kiedyś o temperaturze (punkcie)
struktorów.
W zasięgu naszych zainteresowań po-
zostajÄ… przetwornice indukcyjne. Przypo-
mnę ci główny wniosek:
Taką samą moc przetwornicy możesz
T
a
k
Ä…
s
a
m
Ä…
m
o
c
p
r
z
e
t
w
o
r
n
i
c
y
m
o
ż
e
s
z
uzyskać przy małej częstotliwości pracy,
u
z
y
s
k
a
ć
p
r
z
y
m
a
Å‚
e
j
c
z
Ä™
s
t
o
t
l
i
w
o
Å›
c
i
p
r
a
c
y
,
stosując cewkę gromadzącą na raz dużą
s
t
o
s
u
j
Ä…
c
c
e
w
k
Ä™
g
r
o
m
a
d
z
Ä…
c
Ä…
n
a
r
a
z
d
u
ż
Ä…
ilość energii, albo też będziesz pracował
i
l
o
Å›
ć
e
n
e
r
g
i
i
,
a
l
b
o
t
e
ż
b
Ä™
d
z
i
e
s
z
p
r
a
c
o
w
a
Å‚
przy dużej częstotliwości stosując cewkę
p
r
z
y
d
u
ż
e
j
c
z
Ä™
s
t
o
t
l
i
w
o
Å›
c
i
s
t
o
s
u
j
Ä…
c
c
e
w
k
Ä™
gromadzącą na raz mało energii.
g
r
o
m
a
d
z
Ä…
c
Ä…
n
a
r
a
z
m
a
Å‚
o
e
n
e
r
g
i
i
.
Co jest korzystniejsze? To waśnie jest
jednym z głównych tematów artykułu.
Nie sposób odpowiedzieć jednym zda-
niem  dojdziemy do tego pomalutku.
Ale wstępny wniosek można wyciąg-
nąć już teraz: w dobie powszechnej mi-
niaturyzacji, najprawdopodobniej lepiej
będzie użyć małej  łyżeczki , czyli małej
cewki i pracować przy dużych częstotli-
wościach. Rzeczywiście, w tym kierunku
Rys. 6. Współczynnik strat ferrytów w funkcji częstotliwości
idzie współczesna technika.
Z tego co podałem dotychczas, wyni-
ka że przy dużych częstotliwościach Jeśli pamiętasz, co pisałem ci kiedyś Curie? Temperatura Curie, to taka tempe-
mógÅ‚byÅ› zastosować cewkÄ™ o maÅ‚ych o kondensatorach, wiesz że t´ reprezen- ratura, w której materiaÅ‚ magnetyczny
wymiarach, gromadzÄ…cÄ… jednorazowo tuje straty. Z kolei µ to przenikalność traci swe wÅ‚asnoÅ›ci magnetyczne. Cew-
niewielką ilość energii. Ale sprawa nie magnetyczna materiału. Znów nie musisz ka z takim gorącym rdzeniem straciłaby
jest tak jednoznaczna. wszystkiego wiedzieć  pamiętaj tylko, więc w pewnej chwili radykalnie swą
Co to znaczy duża czÄ™stotliwość? że iloraz t´/µ jest pewnego rodzaju miarÄ… pierwotnÄ… indukcyjność i przetwornica
Obecnie najszybsze przetwornice jakości, jeśli chodzi o straty  materiał tym gwałtowniej zaczęłaby się nagrze-
impulsowe pracują przy częstotliwoś- jest tym lepszy, czym ten iloraz jest wać, a prądy wzrosłyby aż do uszkodze-
ciach rzędu 300...500kHz, a nawet wię- mniejszy. nia tranzystorów.
cej. Współczesne tranzystory są bardzo Wcześniej obrazowo tłumaczyłem ci, A co można powiedzieć o ferrycie U-
szybkie, ale przy częstotliwościach rzę- że materiał magnetyczny zawiera swego 11? Czy można go zastosować przy
du kilkuset kiloherców, przy znacznych rodzaju elementarne magnesiki zamoco- częstotliwościach rzędu 10kHz? Oczy-
prądach i napięciach, istotną barierą są wane na sprężynkach i że przy ruchu tych wiście, że można! Na rysunku 6 nie za-
straty mocy w tych tranzystorach pod- magnesików występuje tarcie. A tarcie to znaczono co prawda współczynnika strat
czas przełączania. Tematem tym nie bę- straty w postaci ciepła. Właśnie parametr dla tak małych częstotliwości. Ale na
dziemy siÄ™ zajmować szczegółowo  t´/µ jest miarÄ… takich strat. Co ważne, pewno spodziewany przebieg krzywej
jest to zresztą bardzo obszerne zagad- wielkość strat zależy od częstotliwości, charakterystyki dla tak małych częstotli-
nienie. i to różnie w różnych materiałach. wości będzie przebiegał znacznie powy-
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 11/97 69
Listy od Piotra
L
i
s
t
y
o
d
P
i
o
t
r
a
żej krzywych reprezentujących ferryty F- A może przy takich
6001, F-3001, F-2001, czy F-1501 (odpo- częstotliwościach
wiednik F-1001). Jak widać, dla małych ferryt traci jakieś
częstotliwości można, ale nie warto sto- właściwości i nie
sować tego ferrytu, bo inne ferryty (F- może być wyko-
1501, F2002, F-3001, czy F-6001) za- rzystany? Takie py-
pewnią nieporównanie mniejsze straty. tania zadaje sobie
Nie zapominaj, że na rysunku zastosowa- wielu początkują-
no skalę logarytmiczną  różnica w ilości cych elektroników,
strat będzie kilkudziesięcio-, może nawet niepewnych, jak
stukrotna. zachowuje siÄ™ fer-
Czy już rozumiesz, na czym polega do- ryt przy tak małych
bór odpowiedniego materiału dla danego częstotliwościach.
zakresu częstotliwości? Odpowiedz
jest
Jeśli wydaje ci się, że to rozumiesz, to prosta: ferryt nicze-
zadam ci dość trudne pytanie: dlaczego go nie traci przy nis-
w transformatorach sieciowych nie sto- kich częstotliwościach! Problem z budo- magnesików w rdzeniu wraz ze
suje się rdzeni ferrytowych, tylko rdzenie wą transformatora mikrofonowego leży wzrostem częstotliwości dla różnych
z blach? Jak myślisz, jak przebiegałaby zupełnie gdzie indziej. Dla przeniesienia materiałów.
charakterystyka blachy transformatoro- pełnego pasma akustycznego, począwszy W tych rozważaniach odeszliśmy już
wej na rysunku 6? od 20...30Hz, uzwojenie transformatora trochÄ™ od naszych przetwornic impulso-
Pomyśl chwilę! musi mieć dużą indukcyjność. Ponieważ wych. Wracamy do analizy ograniczeń.
Parametry blachy (przede wszystkim rdzeń z blach ma znacznie większą przeni-
przenikalność magnetyczna µ i maksy- kalność magnetycznÄ…, niż jakikolwiek fer- Straty z prÄ…dów wirowych
malna indukcja B) są zdecydowanie lep- ryt, transformator z rdzeniem z blach ma Nieprzypadkowo  trułem ci w poprze-
sze, niż jakiegokolwiek ferrytu, ale tylko znacznie mniej zwojów, niż transformator dnim liście o indukowaniu się w cewce
przy bardzo małych częstotliwościach. z jakimkolwiek rdzeniem ferrytowym. napięć i prądów pod wpływem zmian po-
Przy dużych częstotliwościach gwałtow- Problem z ferrytami polega na tym, la magnetycznego. Jeśli w czasie pracy
nie rosną straty w rdzeniu. że zwiększenie liczby zwojów wiąże się przetwornicy pole zmienia swą  siłę , to
Natomiast przy częstotliwościach rzę- ze zwiększeniem pojemności własnej chyba napięcia i prądy indukują się nie tyl-
du dziesiątek kiloherców i wyższych, fer- takiego uzwojenia, co pociąga za sobą ko w uzwojeniu cewki, ale też we wszel-
ryty mają mniejsze straty niż blacha trans- powstanie rezonansu (pojemności i in- kich niezbyt odległych częściach przewo-
formatorowa dukcyjności własnej cewki) na stosun- dzących...
Dlatego do budowy przetwornic im- kowo niskiej częstotliwości i w konsek- Słusznie! Tak jest w istocie! Pomyśl,
pulsowych nie wykorzystuje się rdzeni wencji trudności z dobrym przeniesie- jakie to ma konsekwencje?
z blach, a z kolei do budowy transforma- niem górnych częstotliwości pasma Jeśli rdzeń cewki wykonany będzie
torków mikrofonowych używa się tylko akustycznego. z przewodzącego prąd materiału, to prą-
rdzeni z blach. Nawet jeśli nie do końca zrozumiałeś dy (wirowe) pojawią się także w rdzeniu.
I jeszcze jedno pytanie kontrolne: myśli z ostatniego akapitu, zapamiętaj raz Przepływ tych prądów przez niezerową
czy do budowy transformatorka mikro- na zawsze, że ferryt nie traci żadnych właś- rezystancję rdzenia oznacza wydzielanie
fonowego można użyć rdzenia ferryto- ciwości przy małych częstotliwościach. się pewnej mocy strat.
wego? Czy ferryt (powiedzmy F-2002) Powracamy teraz do głównego wątku Znalez
liśmy więc kolejne ograniczenie 
nadaje się do pracy przy częstotliwoś- naszych rozważań. straty wywołane prądami wirowymi.
ciach w okolicach dolnej granicy pas- Omówiliśmy kolejne ograniczenie  Wniosek? Materiał rdzenia nie powi-
ma akustycznego, czyli przy 20...40Hz? wzrost strat wynikających z  tarcia nien przewodzić prądu. Hop, hop, nie za
szybko.
Blacha transformatorowa, jak to bla-
cha, dobrze przewodzi prÄ…d. Jedyna rada,
żeby zmniejszyć straty powodowane prą-
dami wirowymi, to polakierować po-
szczególne blaszki (kształtki) nieprzewo-
dzącym lakierem. Prądy wirowe nie będą
mogły hasać po całym rdzeniu, tylko po
poszczególnych blaszkach, co już sporo
poprawi sytuacjÄ™.
Lepiej jest w przypadku rdzeni ferryto-
wych, bo dzięki odpowiedniemu składowi
i domieszkom przewodzÄ… one prÄ…d w nie-
wielkim stopniu  mają dużą rezystancję.
Omówiliśmy oto kolejną przyczynę
występowania strat  przepływ szkodli-
wych prądów wirowych w rdzeniu.
W następnym numerze opowiem Ci
o kolejnych ograniczeniach.
Piotr Górecki
P
i
o
t
r
G
ó
r
e
c
k
i
grafika: Małgorzata Zackiewicz
g
r
a
f
i
k
a
:
M
a
Å‚
g
o
r
z
a
t
a
Z
a
c
k
i
e
w
i
c
z
70 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 11/97