30 (254)

Podstawy

92$31]

Podstawy

Elementy indukcyjne są z reguły najbardziej nielubianymi podzespołami układów elektronicznych. Dzieje się tak, ponieważ niektóre zjawiska związane z elektromagnetyzmem są dosyć trudne do zrozumienia i skomplikowane obliczeniowo. Jednak do prawidłowego zaprojektowania elementów indukcyjnych nie trzeba być wybitnym fachowcem. W wielu przypadkach wystarczy posłużyć się gotowymi wzorami, na przykład przedstawionymi w tym artykule.

Szczegółowe omówienie zjawisk związanych z elektromagnetyzmem wykracza poza temat tego artykułu, dlatego tylko w wielkim skrócie przypomnę podstawowe zależności.

Teoretycznie najlepsze właściwości mogą mieć cewki bez rdzenia (powietrzne, próżniowe), jednak trudno w takim przypadku uzyskać indukcyjności większe od kilku pH. W celu zwiększenia indukcyjności, cewki (i transformatory) nawija się na rdzeniach ferromagnetycznych (czyli takich, które wzmacniają działanie zewnętrznego pola magnetycznego). Rdzenie zawierają małe obszary wykazujące własności magnesów stałych - domeny magnetyczne. Bez wpływu zewnętrznych czynników domeny są ustawione w sposób chaotyczny, a materiał wydaje się magnetycznie „obojętny”. Po umieszczeniu takiego materiału w stałym polu magnetycznym domeny zaczynają „ustawiać się w jednym kierunku”, powodując, że materiał jako całość zaczyna zachowywać się jak magnes. Gdyby rdzeń był idealny, wtedy można by w nieskończoność zwiększać natężenie zewnętrznego pola magnetycznego, a domeny coraz bardziej by się porządkowały (przyjmując coraz więcej energii). W praktyce po przekroczeniu pewnego natężenia pola magnetycznego wszystkie domeny już są uporządkowane, a rdzeń osiąga nasycenie. W cewkach rolę wytwarzania, a właściwie przekształcania prądu na pole magnetyczne, odgrywa uzwojenie. Natężenie tego pola jest równe: n • I

^H=~r

^Le

W uproszczeniu można przyjąć, że miarą uporządkowania domen maenetvcznvch iest indukcja - B. Wzrost Rys. 1 _B natężenia pola mag-    nasycenie--

netycznego powoduje coraz większe uporządkowanie domen magnetycznych (wzrost B). Najczęściej spotykaną zależność H od B przedstawia rysunek 1, dotyczy ona jednak tylko pierwszego magnesowania i jest bardzo

nieliniowa. W następnych cyklach przemag-nesowania jest jeszcze gorzej - charakterystyka staje się pętlą (histere-zy) i za każdym razem, żeby zmienić uporządkowanie domen o „360°”, trzeba dostarczyć energii proporcjonalnej do pola powierzchnie tej pętli - rysunek 2. Energia ta ^    ^

jest zamieniana na ciepło ^y wydzielające się w rdzeniu, dlatego warto stosować materiały o wąskiej pętli histerezy pracujące przy możliwie małej częstotliwości.

Na podstawie tego prostego wykresu można rozważyć również problem związany z nasyceniem rdzenia. Indukcję i natężenie pola magnetycznego łączy wzór:

B

B = n = -

Przenikalność magnetyczna (p) jest taka jak nachylenie charakterystyki w danym punkcie. Jak widać, przed nasyceniem przenikal-ność magnetyczna rdzenia ma mniej więcej stałą dużą wartość (stromy, niemal liniowy odcinek krzywej). W nasyceniu natomiast przenikalność szybko maleje, czego efektem jest zmniejszenie indukcyjności, a to oznacza szybki wzrost prądu cewki. Co najgorsze, prąd ten jest zużywany tylko na nagrzewanie uzwojenia, ponieważ wytwarzane przez niego pole magnetyczne nie powoduje już porządkowania kolejnych domen. W wielu przypadkach rezystancja uzwojenia jest bardzo mała, co powoduje przepływ bardzo dużego prądu podczas nasycenia rdzenia, powodując uszkodzenie układu.

T ransformatory

Transformator idealny mógłby pracować przy dowolnie niskiej częstotliwości, przenosić dowolnie dużą moc oraz nie magazynować energii. W rzeczywistości uzwojenie pierwotne transformatora zachowuje się jak cewka włączona w obwód prądu przemiennego - podczas jednego półokresu prąd narasta w nim niemal liniowo (dla prostokątnego napięcia zasilającego), powodując wzrost indukcji w rdzeniu. Przeprowadzając obliczenia uzwojenia, trzeba mieć to na uwadze i nie dopuścić do nasycenia rdzenia.

Zaprojektowanie optymalnego transformatora do zasilacza impulsowego jest zadaniem niezwykle trudnym. Jednak w przeciwieństwie do produkcji wielkoseryjpej, w konstrukcjach amatorskich dobranie najmniejszego możliwego transformatora nie jest konieczne, ponieważ kilkuprocentowy wzrost kosztów nie ma większego znaczenia. Często amatorzy posiadają różne rdzenie ze starego sprzętu elektronicznego i ich użycie, nawet mimo za dużych rozmiarów, jest uzasadnione. Gdy rdzeń jest większy, czyli dobrany z zapasem, wtedy można wykorzystać uproszczony sposób przeprowadzania obliczeń.

Ważnym aspektem podczas nawijania transformatora jest ułożenie uzwojeń. Najczęściej nie jest wskazane nawijanie uzwojeń w sekcjach - rysunek 3a, ponieważ zwiększa to indukcyjność rozproszenia (powstaje ona w skutek niepokrywania się strumieni magnetycznych uzwojeń). Taka indukcyjność zachowuje się jak cewka połączoną szeregowo z uzwojeniem. Może ona powodować znaczne ograniczenie prądu wyjściowego oraz szkodliwe przepięcia. Z tego powodu, w większości przypadków lepiej nawijać uzwojenia warstwami - rysunek 3b. Indukcyjność rozproszenia można określić, mierząc indukcyjności danego uzwojenia przy zwarciu pozostałych uzwojeń.

Dla porządku należy jeszcze wspomnieć o zasadach bezpieczeństwa podczas wykonania transformatora. Do wykonania transformatorów należy używać tylko materiałów do tego przeznaczonych. Niedopuszczalne jest izolowanie uzwojeń taśmami klejącymi, foliami ogrodowymi ani impregnowanie żywicami nieprzystosowanymi do tego celu. Takie postępowanie grozi stopieniem/przebi-ciem izolacji, a w konsekwencji śmiertelnym porażeniem lub pożarem.

Transformatory mocy

W przypadku transformatorów mocy należ> mieć na uwadze straty mocy w miedzi oraz w rdzeniu. Te pierwsze są spowodowane prze-

34 Listopad 2010 Elektronika dla Wszystkich