Bez tytu³u-4 - Serwis Elektroniki

Praca transformatora w uk³adach zasilaczy impulsowychnic zawieraj¹ zawsze elementy maj¹ce na celu zmniejszenie ichdestrukcyjnego wp³ywu. Niemniej uszkodzenie zasilacza (tranzystorakluczuj¹cego) mo¿e byæ zawsze spowodowane uszkodzeniemktóregoœ z elementów owych uk³adów lub zbyt du¿¹wartoœci¹ indukcyjnoœci rozproszenia transformatora.Powy¿sze informacje przytoczone na gruncie fizyki t³umacz¹równie¿ co siê stanie, gdy w transformatorze nast¹pi zwarciemiêdzyzwojowe. Pr¹d indukowany w zwoju zwartym jesttak du¿y, ¿e przeciwstawia siê zmianom strumienia magnetycznegoprzez niego przep³ywaj¹cego (regu³a Lenza). Poniewa¿zwój taki obejmuje zwykle ca³y rdzeñ, indukcyjnoœæ widzianaz ka¿dego uzwojenia wydatnie spada do tego stopnia,¿e pozostaje niemal¿e sama indukcyjnoœæ rozproszenia. Powy¿szespostrze¿enie demaskuje informacje zawarte w niektórychreklamach przyrz¹dów s³u¿¹cych do sprawdzania sprawnoœcitransformatorów lub trafopowielaczy. Mówi¹ one, ¿eprzyrz¹d wykrywa zwarcie nawet jednego zwoju. Nie ma znaczeniaczy zwarty jest jeden zwój, czy wiêcej. Istotniejsze jestto jaka jest opornoœæ przewodu, na którym zwarcie wyst¹pi³o.Jeœli jest ona bardzo ma³a, zbli¿amy siê do zjawiska znanego zfizyki: zwój zwarty wykonany z nadprzewodnika nie „wpuœci”do siebie pola magnetycznego.U1U1I1I1R1R1Lr1LGLr12n • Lr2RS2n • Lr22n • R22n • R2I /n2I /n2n • U2Rys.1.2.a. Schemat zastêpczy transformatora.Rys.1.2.b. Uproszczony schemat zastêpczytransformatora.n • U21.3. Schemat zastêpczy transformatoraAnalizê uk³adów znacznie upraszcza stosowanie wszelkiegorodzaju schematów zastêpczych. W pierwszej fazie analizyuk³adu stosuje siê uproszczone schematy zastêpcze, po czymdodaje siê kolejne elementy przybli¿aj¹ce uk³ad coraz bardziejdo rzeczywistoœci. Tak jest równie¿ w przypadku transformatora.Dobrym przybli¿eniem dla celów prezentowanych w artykulejest schemat przedstawiony na rys.1.2. Nie zawiera onpojemnoœci rozproszonych i miêdzyzwojowych rzeczywistegotransformatora, natomiast zwraca szczególn¹ uwagê na indukcyjnoœcirozproszenia. Zawiera równie¿ symulowane wpostaci skupionych rezystorów rezystancje rzeczywiste uzwojeñ,jak równie¿ w postaci rezystora w³¹czonego równolegledo indukcyjnoœci g³ównej symulacjê strat energii, a wiêc mocrzeczywist¹ wydzielan¹ w rdzeniu. Symuluje on w ten sposóbstraty zwi¹zane z przemagnesowaniem rdzenia, jak i z istnieniempr¹dów wirowych. Ta czêœæ energii powoduje grzaniesiê rdzenia. Przekroczenie dopuszczalnej temperatury mo¿e byæpowodem nasycenia rdzenia wczeœniej ni¿ przewidzia³ to konstruktortransformatora. Nasycenie rdzenia to zmniejszenieindukcyjnoœci g³ównej oznaczonej na schemacie zastêpczymjako L G , a to ju¿ tylko krok do uszkodzenia tranzystora kluczuj¹cego.Rezystancje rzeczywiste uzwojeñ symuluj¹ zjawiskaujawniaj¹ce siê przy du¿ej czêstotliwoœci pracy, jak zjawiskonaskórkowoœci. Te wspomniane wy¿ej, jak i inne zjawiskafizyczne maj¹ce miejsce w rozpatrywanym problemie zostan¹rozwiniête w dalszej czêœci artyku³u. Niemniej znajomoœæ schematuzastêpczego transformatora bêdzie bardzo pomocna. Nale¿yzwróciæ uwagê, ¿e wszystkie wielkoœci s¹ odniesione dostrony pierwotnej, a wiêc elementy, jak i napiêcie oraz pr¹d s¹przetransformowane na stronê pierwotn¹. Opornoœæ rzeczywista,jak i indukcyjnoœæ transformuje siê z kwadratem przek³adni,napiêcie oczywiœcie wprost proporcjonalnie do przek³adni,a pr¹d odwrotnie proporcjonalnie do wspó³czynnikaprzek³adni „n”. Na rys.1.2.b przedstawiono uproszczony schematzastêpczy, który jest dobrym przybli¿eniem dla wielu celów(analizy) transformatora.1.4. Jak du¿y musi byæ transformator?Intuicja podpowiada, ¿e zale¿y to od mocy jaka ma byæprzeniesiona (przetransformowana), ale czy tylko? W uk³adachzasilaczy sieciowych pracuj¹cych przy czêstotliwoœci 50Hztransformatory s¹ z regu³y du¿e. Nale¿y s¹dziæ, ¿e wymaganawielkoœæ transformatora zale¿y od czêstotliwoœci, przy którejon pracuje. Aby odpowiedzieæ na pytanie dlaczego, proponujêprzyjrzeæ siê dok³adnie schematowi zastêpczemu. Jak transformatorprzedstawia siê dla Ÿród³a napiêcia sinusoidalnego(analiza z pobudzeniem sinusoidalnym jest najprostsza), gdynie jest on obci¹¿ony po stronie wtórnej. Przez uzwojenie p³yniepr¹d, tak zwany ja³owy. Jeœli pomin¹æ opornoœci R sz1 , R sz2 iR GL (co jest dobrym przybli¿eniem), to pr¹d ja³owy w uzwojeniupierwotnym przesuniêty jest w fazie wzglêdem napiêcia o90°. Nie wydziela siê wiêc moc czynna, jednak moc biernamo¿e przyjmowaæ du¿e wartoœci. Poniewa¿ reaktancja indukcyjnoœcijest równa iloczynowi pulsacji k¹towej ω i wartoœciindukcyjnoœci, przy ma³ych ω wymagana jest du¿a indukcyjnoœæ.Sposobem na zwiêkszenie indukcyjnoœci jest stosowanierdzeni o jak najwiêkszej przenikalnoœci magnetycznej.Zwiêkszanie transformowanej mocy wi¹¿e siê z wiêksz¹ amplitud¹zmiennoœci strumienia magnetycznego, a wiêc i jegogêstoœci (indukcji magnetycznej) w rdzeniu. Poniewa¿ rdzenieferromagnetyczne s¹ œrodowiskiem nieliniowym, nale¿ybraæ pod uwagê ich pe³n¹ charakterystykê, wartoœæ maksymaln¹indukcji, która wi¹¿e siê ze zjawiskiem nasycania rdzenia, histerezêtej charakterystyki oraz inne zjawiska. Drugi sposóbnasuwa siê wprost z zale¿noœci X L = 2πf × L, a wiêc zwiêkszanieczêstotliwoœci, przy której transformator pracuje.W ten sposób doszliœmy do koncepcji przetwornicy, w którejg³ównym celem jest przetwarzanie (st¹d nazwa przetwornica)energii przez transformator z du¿¹, znacznie wiêksz¹ od 50Hzczêstotliwoœci¹. Wprawdzie spotyka siê zasilacze impulsowe(DC-DC converter) przetwarzaj¹ce energiê ze stosunkowo niskiegosta³ego napiêcia wejœciowego (DC), ale wtedy wykorzystujesiê tylko jedn¹ z g³ównych zalet przetwornicy polegaj¹cejna zminimalizowaniu strat energii w elemencie regulacyjnym,którym jest z regu³y tranzystor i chodzi o to, aby niepracowa³ on na aktywnej czêœci swojej charakterystyki. Transformatorw takim zasilaczu pracuje nadal na czêstotliwoœci siecii musi byæ du¿y. Takie rozwi¹zania na ogó³ spotyka siê w magnetowidachstarszej generacji. Aby osi¹gn¹æ pe³ne korzyœci zbudowania zasilacza w postaci przetwornicy, trzeba przetwarzaænapiêcie wprost z wyprostowanego napiêcia 220V ACrms , a10 SERWIS ELEKTRONIKI 9/2002