Bez tytu³u-4 - Serwis Elektroniki

Praca transformatora w uk³adach zasilaczy impulsowychœci. Przenikalnoœæ tych materia³ów nie jest na ogó³ du¿o wiêkszaod jednoœci, za to s¹ to œrodowiska liniowe. Znaczy to, ¿eprzenikalnoœæ ta jest sta³a, nie zale¿y od natê¿enia pola magnetycznego.Materia³ami o przenikalnoœci magnetycznej znaczniewiêkszej od jednoœci (a takie s¹ najbardziej po¿¹dane jakordzenie transformatorów) s¹ ferromagnetyki. Niestety nie s¹ toœrodowiska liniowe. Przenikalnoœæ magnetyczna zale¿y od natê¿eniapola magnetycznego, a na dodatek wykazuje histerezê,to znaczy, ¿e funkcja indukcji magnetycznej w tych materia-³ach jest nie tylko funkcj¹ nieliniow¹ natê¿enia pola, ale na dodatekzale¿y od „przesz³oœci”, czyli nie tylko od tego jaka wartoœænatê¿enia pola jest w danym momencie, ale równie¿ jakaby³a wczeœniej. Ka¿dy ferromagnetyk wykazuje tak¹ charakterystykê,ale s¹ ferromagnetyki, tak zwane: twarde i miêkkie.Porównanie ich charakterystyk przedstawiono na rys.1.1. Mówi¹co nieliniowoœci œrodowiska ferromagnetyków u¿y³em okreœlenia- niestety, bo to faktycznie na ogó³ jest istotna wada. Nale¿yjednak dla œcis³oœci wspomnieæ, ¿e owa nieliniowoœæ jestnieraz wykorzystywana w bardzo „zbo¿nych” celach.B2Wspomnia³em ju¿ o dwóch wielkoœciach charakteryzuj¹cychpole magnetyczne: indukcji pola magnetycznego B i jego natê-¿eniu H. Bardzo istotn¹ wielkoœci¹ fizyczn¹ jest strumieñ magnetyczny.Okreœlenie „strumieñ” dobrze siê kojarzy, gdy¿ jestto iloczyn indukcji pola i powierzchni, przez któr¹ przep³ywa.Jeœli powierzchnia ta jest prostopad³a do wektora indukcji, jestto „zwyk³y” iloczyn. W przypadku ogólniejszym, jest to iloczynskalarny i strumieñ pola magnetycznego nie jest wektorema wielkoœci¹ skalarn¹. Jednostk¹ strumienia magnetycznegojest weber: 1 Wb (weber) = 1T (tesla) × 1 m 2 . Chocia¿ wielkoœci¹podstawow¹ jest wektor indukcji, a strumieñ jest wielkoœci¹wtórn¹ ze wzglêdu na istotne (nadrzêdne) znaczenie strumieniapola magnetycznego, w technice czêsto indukcjê nazywasiê gêstoœci¹ strumienia. Na odwrót jest w fizyce, gdzie podstawowezale¿noœci charakteryzuje siê natê¿eniem i wektoremindukcji pola magnetycznego. Aby zakoñczyæ ten wywód teoriipodstawowej, nale¿y jeszcze dodaæ, ¿e Ÿród³em pola magnetycznegomo¿e byæ pr¹d, a wiêc zmienne pole elektryczne, jakrównie¿ zmienne pole magnetyczne indukuje wektor pola elektrycznego.Na tych spostrze¿eniach Maxwell przewidzia³ matematycznieistnienie fal elektromagnetycznych zanim jeszczezosta³y one odkryte. Najistotniejsz¹ ró¿nic¹ miêdzy polem magnetycznymi elektrycznym jest to, ¿e to pierwsze nie posiadapotencja³u, mówimy, ¿e jest polem wirowym.1H1 - materia³y magnetycznie twarde2 - materia³y magnetycznie miêkkieRys.1.1. Przyk³ady pêtli histerezy.1.2.2. Co to jest indukcja w³asna?W wyjaœnieniu tego pojêcia z pomoc¹ przychodzi drugieistotne prawo pola magnetycznego: zasada Lenza. Pole statycznejest ma³o interesuj¹ce. Jeœli natomiast zmienny pr¹d (p³yn¹cynp. w cewce) indukuje zmienne pole magnetyczne, tozmienny strumieñ pola magnetycznego, w obrêbie któregoznajduje siê ta cewka (bo sama sobie go wytworzy³a) indukujew niej napiêcie. Kierunek tego napiêcia jest taki (i o tym mówiregu³a Lenza), ¿e przeciwstawia siê on zmianom pr¹du i w³aœniedlatego cewka wykazuje reaktancjê. Jest to impedancja, aponiewa¿ nie wyra¿a siê ona liczb¹ rzeczywist¹, przyjêto inn¹nazwê. Nie wyra¿a siê liczb¹ rzeczywist¹, poniewa¿ „opór”jaki stanowi cewka nie zale¿y od wielkoœci pr¹du, ale od szybkoœcijego zmian (od jego pochodnej). Sytuacja jest dok³adnieodwrotna, ni¿ w przypadku kondensatora i jeœli pobudzana jestprzebiegiem sinusoidalnym, to napiêcie wyprzedza w fazie oπ/2 przebieg pr¹du. Wielkoœci¹ charakteryzuj¹c¹ indukcjê w³asn¹elementu jest jego indukcyjnoœæ. Mierzona jest ona w henrach(1H = 1Wb/ 1A lub 1H = 1V × 1s / 1A).Cewka bezrdzeniowa lub z rdzeniem paramagnetycznymjest nadal elementem liniowym, czego nie mo¿na w ogólnoœcipowiedzieæ o cewce z rdzeniem ferromagnetycznym. Jest toju¿ element nieliniowy, a to jest powodem wszystkich problemów,którym poœwiêcony jest niniejszy artyku³. Jeœli chcieæopisaæ rzecz matematycznie, to nale¿y powiedzieæ, ¿e rozwi¹zywanierównañ opisuj¹cych obwody nieliniowe jest nie tylkotrudne, ale czêsto w sposób analityczny po prostu niemo¿liwe,chyba ¿e za pomoc¹ metod numerycznych. Nie bêdê wiêcej onich wspomina³, gdy¿ nie to jest celem tego artyku³u. Zwrócênatomiast uwagê na wszelkie zjawiska fizyczne maj¹ce miejscew transformatorze pracuj¹cym w uk³adzie zasilacza, a ujawniaj¹cesiê g³ównie przy pracy z du¿¹ czêstotliwoœci¹ kluczowania.Pe³na œwiadomoœæ tych zjawisk jest nie tylko ciekawa,ale bardzo pomocna w prawid³owym postawieniu diagnozynaprawianego uk³adu.1.2.3. Co to jest indukcja wzajemna, a wiêc co to jest transformator?W polu magnetycznym wytwarzanym przez jedn¹ cewkêmo¿na umieœciæ inn¹ cewkê. Napiêcie indukowane w niej jestzale¿ne od zmiennoœci strumienia magnetycznego, który j¹obejmuje i zupe³nie nie zale¿y od tego, czy strumieñ ten wytworzy³asobie ta cewka sama, czy pochodzi on z jakiegokolwiekŸród³a z zewn¹trz.Indukcyjnoœci¹ wzajemn¹ nazywamy stosunek strumieniamagnetycznego w cewce, nazwijmy j¹ 2, do pr¹du p³yn¹cegow cewce 1.£atwo wykazaæ, ¿e jeœli cewki sprzê¿one s¹ w 100%, czylica³y strumieñ wytwarzany przez cewkê 1 przep³ywa przezwszystkie zwoje cewki 2, to indukcyjnoœæ wzajemna takich cewekjest niezale¿na od tego, która z nich bêdzie uzwojeniempierwotnym, a która wtórnym i równa siê œredniej geometrycznejindukcyjnoœci w³asnych obu cewek: M 12 = M 21 = M = √L 1 ×L 2 .Jeœli sprzê¿enie obu uzwojeñ nie jest pe³ne, to wspó³czynniktego sprzê¿enia okreœla siê jako stosunek indukcji wzajemnejdo œredniej geometrycznej indukcji w³asnych obu cewekk = M / √L 1 L 2 . W takiej sytuacji wystêpuj¹ indukcyjnoœci rozproszeniaodpowiadaj¹ce tym strumieniom pola magnetycznego,które nie obejmuj¹ obu uzwojeñ. Problemowi istnienia indukcyjnoœcirozproszenia transformatora poœwiêcê wiêcej uwagiw dalszej czêœci artyku³u, poniewa¿ jest to zjawisko w uk³adachzasilaczy bardzo szkodliwe i prowadz¹ce czêsto do uszkodzeniatranzystora-klucza. Poniewa¿ zupe³ne wyeliminowanieindukcyjnoœci rozproszonych jest niemo¿liwe, uk³ady przetwor-SERWIS ELEKTRONIKI 9/2002 9