Bez tytu³u-4 - Serwis Elektroniki

Praca transformatora w uk³adach zasilaczy impulsowychPraca transformatora w uk³adach zasilaczy impulsowychKarol Œwierc(cz.1)W „SE” nr 5/2000 opublikowany zosta³ artyku³ „Praca tranzystorakluczuj¹cego w uk³adach zasilaczy i odchylania poziomegoOTVC i monitorów”, a w nr 11/2000 jego uzupe³nieniew formie aneksu. Niniejszy artyku³ poœwiêcony jest aspektomzwi¹zanym z prac¹ transformatora. Praca jego jest nie mniejistotna ni¿ praca tranzystora. W³aœciwe warunki pracy transformatorato nadrzêdny cel prawid³owo zaprojektowanego zasilacza-przetwornicy.Niew³aœciwe warunki lub Ÿle zaprojektowany,nawiniêty lub po prostu, Ÿle z³o¿ony transformatormo¿e byæ przyczyn¹ awarii zasilacza, co praktycznie w ka¿-dym przypadku koñczy siê uszkodzeniem tranzystora kluczuj¹cego.Notoryczne uszkadzanie siê tego tranzystora zmuszaw koñcu do przemyœlenia i podjêcia decyzji: czy jego powodemjest transformator, czy te¿ uk³ad elektroniki zasilacza.O czym œwiadczy fakt, ¿e rdzeñ transformatora jest nierazbardzo gor¹cy? Kiedy nale¿y transformator wymieniæ, a kiedyjest to czynnoœæ bezcelowa i przy tym czêsto k³opotliwa.Celem artyku³u jest odpowiedŸ na te i podobne pytania.Nie bêdzie jednak ¿adnej recepty, gdy¿ zjawiska s¹ na tyle z³o-¿one, ¿e prostej recepty nie mo¿na przedstawiæ. Zostan¹ natomiastw miarê szczegó³owo omówione zjawiska fizyczne zachodz¹cew transformatorze ze szczególnym zwróceniem uwagina wynikaj¹ce z nich praktyczne aspekty.1. Informacje podstawowe1.1. Dlaczego ka¿dy zasilacz zawiera transformator?Po pierwsze, to najprostszy sposób na zmianê wartoœci(przetransformowanie) napiêæ. Po drugie, za poœrednictwemtransformatora mo¿na uzyskaæ izolacjê galwaniczn¹ zasilanegourz¹dzenia od sieci energetycznej. Po trzecie, jest to jedyny(prawie jedyny) i prosty sposób na uzyskanie kilku napiêæ wyjœciowycho ró¿nych wartoœciach.Punkt ten celowo zatytu³owa³em „Dlaczego ka¿dy zasilaczzawiera transformator?”, jednak dla œcis³oœci nale¿a³oby napisaæ„Dlaczego prawie ka¿dy …”, gdy¿ w praktyce spotkaæmo¿na równie¿ zasilacze bez indukcyjnoœci, z prze³¹czanymipojemnoœciami. Ich zastosowanie ogranicza siê do bardzo ma-³ych mocy i praktycznie tylko wtedy, gdy trzeba podwoiæ wartoœænapiêcia lub uzyskaæ napiêcie o tej samej wartoœci ale przeciwnegoznaku (ujemne). Uk³ady takie s¹ nieraz wbudowanew strukturê uk³adów scalonych, choæ czêsto nie zdajemy sobiez tego sprawy. Dobrym przyk³adem s¹ pamiêci EEPROM zasilanejednym, niskim napiêciem (+5V lub mniej). Do zapisuinformacji potrzebuj¹ napiêcia wy¿szego, które jest podczasprocesu zapisu wytwarzane wewn¹trz. Podobna sytuacja jestw uk³adach transmisji szeregowej na du¿e odleg³oœci. Uk³adynadajników wymagaj¹ dwóch napiêæ symetrycznych, gdy ca³areszta urz¹dzenia „zadowala” siê jednym napiêciem. Umieszczasiê zatem uk³ad dokonuj¹cy inwersji napiêcia tu¿ przy uk³adzienadajnika linii. Zastosowanie wspomnianych wy¿ej uk³adówjest marginalne i trudno je nazwaæ zasilaczami w prawdziwymznaczeniu tego s³owa, a wiêc mo¿na w zasadzie przyj¹æ,¿e ka¿dy zasilacz zawiera transformator.1.2. Co to jest transformator?Aby odpowiedzieæ na to pytanie nale¿y cofn¹æ siê do podstawi wyjaœniæ kilka pojêæ.1.2.1. Co to jest indukcyjnoœæ?Przed odpowiedzi¹ na to pytanie, krótki wstêp z fizyki, któryudzieli odpowiedzi na pytania: co to jest pole magnetyczne,jakie wielkoœci je charakteryzuj¹, jak¹ energiê za poœrednictwempola magnetycznego mo¿na przenieœæ (przetransformowaæ),a to wi¹¿e siê bezpoœrednio z pytaniem kluczowym dlaporuszanego tematu: jak du¿y musi byæ transformator?Przewodnik, w którym p³ynie pr¹d, jak równie¿ poruszaj¹cesiê ³adunki elektryczne wytwarzaj¹ wokó³ siebie pole magnetyczne.U podstaw tego spostrze¿enia le¿y znane z fizykiprawo Biota-Savarta. Mówi ono, ¿e jednostkowy odcinek przewodnikaz pr¹dem wytwarza pole magnetyczne, którego indukcjajest proporcjonalna do wartoœci p³yn¹cego pr¹du, d³ugoœciodcinka przewodnika i odwrotnie proporcjonalna dokwadratu odleg³oœci punktu, w którym wielkoœæ indukcji mierzymy.Jeœli wytwarzaj¹cy pole magnetyczne odcinek przewodnikanie jest prostopad³y do odcinka ³¹cz¹cego punkt pomiarupola magnetycznego i odcinka przewodnika, który je wytwarza,wartoœæ indukcji jest mniejsza o sinus k¹ta wspomnianychdwóch odcinków. Wartoœæ indukcji zale¿na jest równie¿ odœrodowiska, w którym pole magnetyczne jest wytwarzane.Wspó³czynnikiem proporcjonalnoœci dla pró¿ni jest µ o - przenikalnoœæmagnetyczna pró¿ni. Inne materia³y wykazuj¹ dodatkowoprzenikalnoœæ µ r ró¿n¹, a czêsto du¿o wiêksz¹ od jednoœci.Przez tê przenikalnoœæ nale¿y przemno¿yæ wytwarzan¹wartoœæ indukcji. Prawo Biota-Savarta jest dla teorii pola magnetycznegokluczowe, gdy¿ na jego podstawie mo¿na obliczyæwartoœæ indukcji magnetycznej wytwarzanej w dowolnympunkcie i wokó³ przewodnika u³o¿onego w dowolnykszta³t. Najczêœciej bêdzie to cewka, a wiêc spiralnie zwiniêtyodcinek przewodnika, a wartoœæ indukcji magnetycznej interesujenas wewn¹trz owej cewki.Cewki powietrzne, a wiêc bezrdzeniowe wykonywane s¹jedynie dla bardzo du¿ych czêstotliwoœci, kiedy wymaganawartoœæ indukcyjnoœci jest niewielka. Przy czêstotliwoœciachni¿szych, dla uzyskania rozs¹dnej wartoœci reaktancji indukcyjnoœæmusi mieæ du¿e wartoœci, a wiêc cewka powietrznamusia³aby mieæ bardzo du¿e rozmiary ze wzglêdu na niedu¿¹wartoœæ przenikalnoœci pró¿ni (powietrza). Dlatego cewki, atym samym transformatory nawija siê na rdzeniu.Istniej¹ wprawdzie materia³y, których wzglêdna przenikalnoœæmagnetyczna jest mniejsza od 1. S¹ to diamagnetyki. Niemaj¹ one wiêkszego zastosowania jako rdzenie, aczkolwiekstosowane s¹ w cewkach strojonych obwodów w.cz.Odcinek diamagnetyka warto mieæ przy sobie podczas przestrajaniaradioodbiorników. Zbli¿aj¹c do przestrajanej cewkina zmianê diamagnetyk i paramagnetyk mo¿na szybko zorientowaæsiê w „któr¹ stronê” nale¿y pójœæ podczas przestrajania.Wspomnia³em ju¿, ¿e s¹ i paramagnetyki, a wiêc materia³yo przenikalnoœci magnetycznej wzglêdnej wiêkszej od jedno-8 SERWIS ELEKTRONIKI 9/2002