Bez tytu³u-4 - Serwis Elektroniki

Praca transformatora w uk³adach zasilaczy impulsowychPraca transformatora w uk³adach zasilaczy impulsowychKarol Œwierc(cz.2)2. Zjawiska wystêpuj¹ce w uzwojeniu2.1. Pole magnetyczne rozproszoneNiekorzystne zjawiska wystêpuj¹ce w transformatorze pojawiaj¹cesiê podczas pracy przetwornicy ze znaczn¹ czêstotliwoœci¹mo¿na podzieliæ na zjawiska wystêpuj¹ce w rdzeniuoraz w uzwojeniach. Zjawiska wystêpuj¹ce w rdzeniu zostan¹omówione w p.4, w tej czêœci zostan¹ przedstawione zjawiskawystêpuj¹ce w przewodniku, czyli uzwojeniu.Przyczyn¹ wystêpowania tych zjawisk jest istnienie indukcyjnoœcirozproszenia ka¿dego z uzwojeñ, czyli istnienie rozproszonegopola magnetycznego. Dlaczego w³aœnie tak niekorzystnejest to pole (i tylko to pole) wyjaœnia rysunek 2.1.a) b)uzwojenie wtórne uzwojenie pierwotnerdzeñlinie pola rozproszonegoH1Xµ N I /b 0 2 2µ 0N1I 1/bRys.2.1. a) Ilustracja rozproszonego pola magnetycznegow transformatorze.b) Rozk³ad indukcji magnetycznej pola rozproszonego.Z destrukcyjnym dzia³aniem indukcyjnoœci rozproszonejtransformatora spotykamy siê czêsto, jednak na ogó³ chodzi ojego destrukcyjny wp³yw na pracê tranzystora kluczuj¹cego przetwornicy.Indukcyjnoœæ ta jest powodem wystêpowania przepiêæna tranzystorze w momencie jego wy³¹czenia. W celu zabezpieczeniatranzystora przed uszkodzeniem w wyniku tychprzepiêæ stosuje siê powszechnie uk³ady zabezpieczenia (tzw.snubber). Wp³yw pola rozproszonego na pracê transformatorajest nie mniej istotny, a skutki aczkolwiek poœrednie s¹ takiesame - uszkodzenie tranzystora klucza. Przyczyna ta jest o wieletrudniejsza do wykrycia, gdy¿ nie powoduje natychmiastowegouszkodzenia tranzystora lecz po d³u¿szym czasie pracyurz¹dzenia, kiedy temperatura transformatora wzroœnie powy-¿ej dopuszczalnej wartoœci. Z tak z³oœliwymi i k³opotliwymiprzypadkami spotykamy siê w praktyce serwisowej doœæ czêsto.Po naprawie przetwornicy sprzêt wraca po miesi¹cu lubdwóch - uszkodzenie to samo. Po jakimœ czasie kolejna reklamacja.Trzeba wreszcie podj¹æ decyzjê co jest skutkiem, a coprzyczyn¹. Pierwotna przyczyna mo¿e tkwiæ zarówno w transformatorze(Ÿle nawiniêty, Ÿle z³o¿ony rdzeñ lub po prostu trafi³siê egzemplarz, w którym rdzeñ ma zbyt du¿¹ remanencjê magnetyczn¹),jak i w uk³adzie elektronicznym zasilacza (praca zezbyt wysok¹ czêstotliwoœci¹, energia z transformatora nie jestodpowiednio odprowadzana, Ÿle dzia³a uk³ad „demagnetyzacji”w wyniku czego nastêpuje zjawisko nasycenia rdzenia - dotyczyto przetwornic typu forward). Dlatego zjawiska te zostan¹Bomówione doœæ szczegó³owo mimo, ¿e wymagaj¹ siêgniêcia dopodstaw fizyki oraz „zaprzêgniêcia” zaawansowanego aparatumatematycznego. Matematyka zostanie w artykule pominiêta,ale szczegó³owo bêd¹ przedstawione wnioski.Przede wszystkim - dlaczego za wystêpowanie pr¹dówwirowych w uzwojeniach odpowiedzialne jest tylko pole (magnetyczne)rozproszone? OdpowiedŸ jest doœæ prosta. Strumieñg³ówny (który sprzêga magnetycznie uzwojenia) p³ynie tylkow rdzeniu, zatem w zasiêgu jego wp³ywu uzwojenia siê nieznajduj¹. Natomiast istnienie pola rozproszonego nie jest wynikiemb³êdów konstrukcji czy wykonania transformatora (aczkolwiektakie b³êdy mog¹ znacz¹co to pole powiêkszyæ), leczjest wynikiem podstawowych praw fizyki magnetyzmu.Pole rozproszone (tylko takie pole) bêdzie istnia³o w transformatorzew warunkach zwarcia uzwojenia wtórnego, przyza³o¿eniu dostatecznie ma³ej opornoœci rzeczywistej tego uzwojenia,bowiem zgodnie z zasad¹ Lenza pr¹d wyindukowany wuzwojeniu wtórnym bêdzie przeciwstawia³ siê, niwelowa³ polemagnetyczne wytworzone przez uzwojenie pierwotne. Niemo¿e natomiast mieæ wp³ywu na pole rozproszone uzwojeniapierwotnego, gdy¿ jego linie go nie obejmuj¹. Wykres natê¿eniaindukcji magnetycznej w obszarze obejmuj¹cym uzwojeniaprzedstawiony jest na rys.2.1. Widaæ z niego, ¿e nie wszystkiewarstwy uzwojenia s¹ pod wp³ywem takiego samego pola(pola o takim samym natê¿eniu). Aby wyjaœniæ dlaczego warstwyzewnêtrzne uzwojenia pierwotnego i warstwy wewnêtrzneuzwojenia wtórnego nara¿one s¹ bardziej, nale¿y siêgn¹ædo prawa przep³ywu pola magnetycznego zwanego równie¿obwodowym prawem Ampere´a. Mówi ono, ¿e ca³ka okrê¿nawektora natê¿enia pola jest równa pr¹dowi zawartemu w obszarzeowego ca³kowania. Ten sam wniosek wyp³ywa z drugiegoprawa Maxwella. Warto tu nadmieniæ, ¿e prawa Maxwellachocia¿ sformu³owane w drugiej po³owie XIX wieku, jeszczeprzed odkryciem fal elektromagnetycznych, s¹ do dnia dzisiejszegoprawami najbardziej ogólnymi i fundamentalnymidla zjawisk pola elektrycznego i magnetycznego oraz fal elektromagnetycznych.Warto zatem o nich przynajmniej wspomnieæ.Drugie prawo mówi, ¿e rotacja pola magnetycznegorówna jest gêstoœci pr¹du w danym punkcie przestrzeni uzupe³nionemuo tak zwany pr¹d przesuniêcia. Dla zjawisk, którychdotyczy artyku³ jest to równoznaczne z tym samym o czymmówi prawo Ampere´a.Jak zamykaj¹ siê linie pola magnetycznego w obszarze uzwojeniazaznaczono lini¹ przerywan¹ na rys.2.1. Zatem wartoœæwspomnianej wy¿ej ca³ki okrê¿nej narasta z warstwy na warstwêuzwojenia, gdy¿ jest równa pr¹dowi p³yn¹cemu w rozpatrywanymuzwojeniu pomno¿onemu przez iloœæ zwojów, które s¹ objêterozpatrywan¹ drog¹ „okrê¿n¹”. Równoczeœnie wartoœæ owejca³ki w obszarze rdzenia jest znikomo ma³a ze wzglêdu na znaczniewiêksz¹ przenikalnoœæ magnetyczn¹ tego obszaru.Dlaczego wartoœæ indukcji magnetycznej w punktach bardziejoddalonych od kolumny rdzenia, na której nawiniête s¹uzwojenia i w punktach obejmuj¹cych uzwojenie wtórne malejei dlaczego stromoœæ owych zboczy indukcji magnetycznej6 SERWIS ELEKTRONIKI 10/2002