Przetwornice - potworki i straszydla -4.pdf - Przetwornice impulsowe - waclaw.sz

Fundamenty Elektroniki

P rzetwornice impulsowe

Potworki i straszydła

Mam nadzieję, ze teraz lepiej rozu−

miesz sens takich straszydeł jak B , H , µ ,

Po odrobinie zastanowienia prawdopo−

dobnie potrafiłbyś sam przekształcić poda−

ne wzory, by z ich pomocą zaprojektować

cewkę do konkretnego zastosowania. Na

pewno ci się wydaje, że wreszcie jesteś

bardzo blisko celu: jeśli potrzebna jest cew−

ka o pewnej indukcyjności (podanej np.

w materiałach katalogowych producenta

scalonych przetwornic), to przyjmiesz jakąś

wartość A L i obliczysz liczbę zwojów:

miast przed chwilą przeszliśmy chyłkiem

do praktycznej wartości A L podanej w ka−

talogu. Czy jednak o czymś nie zapomnie−

liśmy, tak szybko przechodząc od „ideal−

nego” rdzenia toroidalnego do rdzeni

spotykanych w praktyce? Być może spo−

tkałeś się już z rdzeniami kubkowymi,

rdzeniami RM , czy rdzeniami ETD i CC .

W praktyce częściej stosujemy rdzenie

inne niż toroidy, między innymi dlatego, że

trudno jest nawinąć uzwojenie na zamknię−

tym rdzeniu toroidalnym. Kwestia kształtu

nie jest jednak poważnym problemem i tu

nie ma poważniejszej pułapki, bowiem pro−

ducenci podają w katalogach dla rdzeni

o różnych kształtach średnie (można po−

wiedzieć: zastępcze) wartości przekroju

S i długości l , i wszystko można przeliczyć.

A więc kształt rdzenia nie jest proble−

mem. Poważniejszą sprawą jest nato−

miast szczelliina w rdzeniiu.

Czy się zastanawiałeś, dla jakich wa−

runków pracy określono współczynnik

A L ? Przecież wartość

A L wyznaczona jest

głównie wartością µ .

Którego µ ? Nieprzy−

padkowo przed mie−

siącem (na rysunku ?)

pokazałem ci, że w za−

leżności od warunków

pracy, wartość µ jest

określana odmiennie!

Ale teraz nie mówimy

o różnym sposobie

określania wartości µ materiału rdzenia.

Chodzi o coś jeszcze innego.

Prawdopodobnie wiesz, że u producen−

ta rdzeni można zamówić rdzenie z tego

samego ferrytu, mające takie same wymia−

ry, a różniące się jedynie wartością stałej

A L . Jak uzyskuje się różne wartości

A L ? Czyżby zmieniała się wartość µ mate−

i rozumiesz ich wzajemne zależ−

ności. W zasadzie omówiłem tu wszyst−

kie ważniejsze wzory występujące

w mądrych książkach. Niech od tej pory

nie wywołują już u ciebie gęsiej skórki na

plecach. Nie bój się tych wzorów.

Podbudowałem cię, prawda? Przypusz−

czam, że uzbrojony w świeżo zdobytą wie−

dzę, mógłbyś obliczyć, czy w danych wa−

runkach, konkretna cewka z rdzeniem bę−

dzie pracować w zakresie liniowym, czy

też w zakresie nasycenia. Chyba już teraz

nie masz wątpliwości, iż (prawie) wszyst−

kie ograniczenia związane z cewkami wyni−

kają właśnie z właściwości rdzenia, i w su−

mie chodzi o to, by nie doprowadzić do na−

sycenia rdzenia (choć są nieliczne wyjątki).

Jeśli tak, to mając w katalogu charak−

terystykę materiału w postaci krzywej

magnesowania (pętla histerezy) i wybie−

rając rdzeń o pewnych wymiarach (też

zresztą podanych w katalogu), znając też

liczbę zwojów cewki i szczytową wartość

prądu płynącego przez to uzwojenie,

mógłbyś obliczyć na początek uzyskane

natężenie pola:

A L

nie zapominając, by wartość indukcyjnoś−

ci podać w nanohenrach.

Potrzebna będzie jeszcze wartość prą−

du maksymalnego I, oczekiwana w ukła−

dzie. Mając te dane i katalog rdzeni ferryto−

wych (gdzie podano wartości S , l i A L rdze−

ni) można obliczyć natężenie H i na charak−

terystyce magnesowania ferrytów (zależ−

ność B od H ) sprawdzić, jaka jest indukcja

B , a tym samym, czy materiał nie ulegnie

nasyceniu.

Sielanka...

Nie do końca! Czy aby tu

nie ma jakiejś pułapki?

Pamiętaj, że wszystkie

wcześniejsze rozważania

dotyczyły idealnego rdzenia

w kształcie toroidu. Nato−

potem na wykresie sprawdzić, jaką war−

tość indukcji B w rdzeniu uzyskasz przy ta−

kim natężeniu pola. Jeśli uzyskana war−

tość indukcji będzie leżeć na początko−

wym, stromym fragmencie charakterysty−

ki, uznasz, że wszystko jest w porządku.

Jeśli natężenie H okazałoby się zbyt

duże i rdzeń pracowałby w nasyceniu,

musisz jeszcze raz przeprowadzić oblicze−

nia dla rdzenia o większych wymiarach.

Czy takie rozumowanie cię przekonu−

je? Wszystko proste, prawda?

Fot.. 1

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/98

Listy od Piotra

riału? Nie! Przecież cały czas mówimy o ta−

kim samym materiale, który jest scharakte−

ryzowany jedną i tą samą pętlą histerezy.

To skąd różne wartości A L ?

Po prostu większość rdzeni składa się

z dwóch części (połówek). Styk obu częś−

ci nie jest idealny. Obwód magnetyczny

nie jest więc ciągły, jak na rysunku 12b,

tylko jest przerwany szczeliną powietr−

zną. Fotografiia 1 i rysunek 19 pokazują

budowę rdzenia z rodziny RM .

Jak widać, w rzeczywistości obwód

magnetyczny składa się z dwóch części:

ferrytu i powietrza.

Tymczasem powietrze (podobnie jak

próżnia) ma bardzo małą przenikalność

magnetyczną. Ferryty i blachy transfor−

matorowe mają przenikalność setki, ty−

siące, a nawet dziesiątki tysięcy razy

większą! Nic dziwnego, że już niewielka

szczelina szerokości ułamków milimetra

w znaczący sposób zmienia właściwości

magnetyczne rdzenia (ale nie zmienia

właściwości samego ferrytu).

Jak się słusznie domyślasz, szczelina

znacznie zmniejsza wypadkową przeni−

kalność magnetyczną.

Przypuszczam, że podobnie jak duża

część elektroników, masz kłopoty z właś−

ciwym zrozumieniem roli szczeliny.

Pomyśl!

Z jednej strony, z podanych wcześniej

wzorów wynikałoby, iż szczelina jest

złem koniecznym i powinna być jak naj−

mniejsza. Rzeczywiście, rzut oka na wzór

na energię

Rys.. 19.. Rdzeń ze szczelliiną

Znów jesteś zaskoczony? Wcześniej

wydawało ci się, że duża przenikalność

ferrytu (miękkie sprężynki) to błogosła−

wieństwo. A teraz wychodzi na to, że

czym większa szczelina powietrzna, tym

więcej energii zmagazynujesz... Paranoja.

Jeśli szczelina powietrzna jest takim

błogosławieństwem, to po co ja ci to

wszystko tłumaczę? Wywalmy cały ten

ferrytowy rdzeń i zostawmy cewkę po−

wietrzną – w takiej cewce na pewno

moglibyśmy zmagazynować ogromną

ilość energii... Przecież „sprężynki” po−

wietrza są takie sztywne... A na doda−

tek nie ma niepożądanego zjawiska na−

sycenia...

Zaraz, coś tu się nie zgadza. Czy popełnia−

my jakiś karygodny błąd w rozumowaniu?

Nie. Teoretycznie rzeczywiście w cew−

ce powietrznej można zmagazynować

ogromną ilość energii, ale... w praktyce

nie da się tego zrobić.

Jeszcze raz popatrz na wzór

wcześniej? O, to jest dość trudne, ale

i bardzo ważne pytanie!

No to jak, zawierają?

Przecież cewka bez rdzenia, a właściwie

z rdzeniem powietrznym przy przepływie

prądu też wytwarza jakieś natężenie pola

magnetycznego H , które z kolei powoduje

powstanie jakiejś indukcji B . Szkopuł

w tym, że próżnia i powietrze mają bardzo

małą przenikalność µ (równą µ 0 , czyli 1,257

×10 −6 H/m ), a więc dane natężenie pola wy−

woła bardzo małą indukcję B w powietr−

znym „rdzeniu”. A jednak wywoła! Czyli

można powiedzieć, że powietrze i próżnia

też mają „magnesiki na sprężynkach”.

A jakie są te „sprężynki” powietrza?

Słabiutkie, czy bardzo sztywne?

Co to znaczy bardzo słabe sprężynki?

To takie, które już przy niewielkiej wartoś−

ci czynnika wymuszającego (prądu

w cewce i natężenia pola H ), odchylają

się do końca, czyli szybko dochodzą do

stanu nasycenia. Jeśli są takie delikatne,

to oczywiście nie można w nich zmaga−

zynować dużych ilości energii.

Czy podobnie jest z powietrzem i próż−

nią? Ależ skąd! Żeby uzyskać dużą induk−

cję B należy wytworzyć bardzo duże na−

tężenie pola H. Wychodzi na to, że próż−

nia i powietrze mają niesamowicie twar−

de sprężynki.

Twarde? Jeśli twarde to bardzo dobrze

– w takich twardych sprężynkach na

pewno można zmagazynować bardzo du−

żo energii.

A więc jednak! To właśnie w szczeli−

nie magazynuje się znaczna część energii

cewki!

E zI S

Jeśli w cewce powietrznej przenikal−

ność µ ma bardzo małą wartość, to dla

zmagazynowania dużych ilości energi−

i musiałbyś albo zwiększać ilość zwojów

z , albo prąd I , bo nie możesz w jedno−

cześnie zwiększać pola S i zmniejszać dł−

ugości l .

Jeśli przykładowo przenikalność po−

wietrza jest dziesięć tysięcy razy mniej−

sza od przenikalności ferrytu, to żeby

w cewce powietrznej zgromadzić tyle

samo energii, co w cewce z rdzeniem

ferrytowym, musiałbyś albo stukrotnie

zwiększyć liczbę zwojów, albo stukrotnie

zwiększyć natężenie prądu. Stukrotnie,

bo zarówno liczba zwojów, jak i prąd wy−

stępują we wzorze w drugiej potędze,

a 100 2 = 10000.

Nie zapomnij przy tym, że do tej pory

mówiliśmy o idealnej cewce mającej ze−

rową rezystancje. Pomijaliśmy rezystan−

cję uzwojenia. W praktyce cewka wyko−

nana jest z drutu miedzianego, mającego

jakąś, w sumie znaczną, rezystancję. Jeś−

li stukrotnie zwiększysz ilość zwojów, to

ogromnie zwiększysz rezystancję (zwłasz−

cza, gdy wymiary cewki miałyby pozo−

stać niezmienne, musiałbyś radykalnie

zmniejszyć grubość drutu uzwojenia),

a tym samym ogromnie zwiększysz stra−

ty mocy na rezystancji uzwojenia wyrażo−

ne znanym wzorem

E zI S

wskazywałby, że zmniejszenie wypadko−

wej wartości µ całego rdzenia zmniejsza

energię magazynowaną w tym rdzeniu.

Z drugiej strony, zapewne obiło ci się

gdzieś o uszy, że to właśnie w szczeli−

nie magazynuje się znaczna część, jeśli

nie większość energii gromadzonej

w cewce.

Sprzeczne zeznania! Coś tu nie gra!

Spróbuj sam znaleźć wyjaśnienie.

Jeśli masz kłopoty, pomogę ci. Na po−

czątek nie będziemy analizować wzo−

rów, wrócimy do analogii ze sprężynka−

mi i spróbujemy wykorzystać intuicję,

a dopiero później wgryziemy się w sed−

no sprawy.

Jak uważasz, czy powietrze lub próż−

nia zawierają „elementarne magnesiki ze

sprężynkami” o których mówiliśmy

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/98

2 2

× × ×

2 2

× × ×

Listy od Piotra

Tranzystory dla początkujących (c.d. ze str. 76)

W porządku! A co wtedy, gdy złącze

tranzystora się podgrzeje? Przypomnij sobie

wiadomości z poprzedniego odcinka. Przy

tym samym napięciu na bazie wzrośnie

prąd kolektora i spadnie napięcie kolektora.

Przy omawianiu rysunku 14b nie wzię−

liśmy pod uwagę szczegółów rozpływu

prądu – część prądu płynącego przez re−

zystor R2 będzie płynąć do bazy, a nie

przez rezystor R3. Czy potrafiłbyś dobrać

rezystory dzielnika uwzględniając ten fakt?

Poważną wadą obu układów z rysun−

ku 33 jest również duża nieliniowość. bo

charakterystyka przejścowa jest taka jak

na rysunkach 32 i 33. Duża wartość

wzmocnienia też niekoniecznie jest zaletą.

użytego egzemplarza

tranzystora. To są wady wykluczające prak−

tyczną przydatność takich schematów.

Dobrze zaprojektowany układ wzmac−

niający z tranzystorem przede wszystkim

powinien mieć stabilne parametry, nieza−

leżnie od wzmocnienia prądowego tego

tranzystora. Powinien być liniowy, czyli

nie zniekształcać wzmacnianego sygnału.

I wcale nie musi mieć bardzo dużego

wzmocnienia, a współczynnik wzmocnie−

nia napięciowego powinien być niezależ−

ny od wzmocnienia prądowego i powi−

nien dać się regulować. I wszystko to

chcemy osiągnąć stosując nasz kapryśny

tranzystor o nieliniowej charakterystyce.

Jak się okazuje, można to zrobić w bar−

dzo prosty sposób. Opowiem ci o tym

w najbliższej przyszłości.

Ciąg dalszy w kolejnym numerze

EdW.

Rys.. 32..

Piiotr Góreckii

Rys.. 33..

PIR

W praktyce trzeba więc znaleźć roz−

sądny kompromis: z jednej strony warto

zwiększać szczelinę, bo umożliwi to zma−

gazynowanie większej ilości energii, ale

nie można przesadzić, bo nieodłącznie

wiąże się to ze zmniejszeniem wypadko−

wej przenikalności rdzenia (i indukcyjnoś−

ci uzyskanej cewki). Z drugiej strony, by

przy zwiększaniu szczeliny utrzymać zało−

żoną indukcyjność, trzeba zwiększać licz−

bę zwojów. Zwiększanie liczby zwojów

w praktyce musi się wiązać ze zwiększa−

niem rezystancji tego uzwojenia, a tym

samym niepotrzebnymi stratami mocy

w uzwojeniu (ciepło strat Joule a). Chyba

to jest jasne? Jeśli nie jasne, to przeczy−

taj sobie ten ostatni fragment jeszcze raz.

Ale to nie koniec problemu szczeliny.

Nie można tak ot sobie, dla kaprysu stoso−

wać szczeliny o dowolnej szerokości, bo

szczelina radykalnie zmienia warunki pracy

ferrytu. Temat do najprostszych nie należy,

więc może przed lekturą następnego

odcinka na wszelki wypadek łyknij szklan−

kę zimnej wody.

gdzie P – moc strat czyli ciepło Jou−

le’a (czytaj: dżula)

Jeśli próbowałbyś stukrotnie zwiększyć

prąd I , również radykalnie zwiększysz stra−

ty mocy na rezystancji uzwojenia.

Mówiąc krótko (i może trochę upraszcza−

jąc), to właśnie rezystancja uzwojenia cewki

i straty mocy na tej rezystancji przekreślają

celowość wyrzucenia ferrytowego rdzenia,

i uniemożliwiają pełne wykorzystanie zalet

„sztywnych sprężynek” powietrza.

Piiotr Góreckii

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/98

Jak widzisz rozwiązania z rysun−

ku 33? nie są dobre. W stanie spoczynku

punkt pracy zależy od temperatury i wzmoc−

nienia prądowego

= ×

Listy od Piotra

Rys.. 21.. Magnesowaniie ferrytu ii powiietrza

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/98

Listy od Piotra

Rys.. 17.. Charakterystykii kiillku materiiałłow magnetycznych

Rys.. 22.. Wpyw szczelliiny na wypadkową charakterystykę rdzeniia

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/98

Przetwornice - potworki i straszydla -4.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: