Przetwornice impulsowe – Potworki i straszydła, Elektronika, Przetwornice impulsowe

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Fundamenty Elektroniki
W poprzednim odcinku
zasygnalizowano w ogólnym
zarysie problem szczeliny
powietrznej w rdzeniu ferrytowym.
P
rzetwornice impulsowe
Potworki i straszydła
Wpływ szczeliny
Sprawę szczeliny zasygnalizowałem ci
na prostym przykładzie „sprężynek” po−
wietrza. Naprawdę nie chciałem cię mę−
czyć, ale niestety muszę ci podać kolejne
ważne informacje. Musimy bardziej wnik−
liwie przeanalizować wpływ szczeliny na
obwód magnetyczny.
Do tej pory analizowaliśmy toroidalny
rdzeń ferrytowy o długości
l
z cewką
o
z
zwojach.
Oto bardzo ważny wzór, który już dob−
rze znasz:
Na rysunku 20b znajdziesz odpowiedni
obwód magnetyczny: rdzeń ferrytowy ze
szczeliną.
Odwołajmy się do obwodu elektrycz−
nego z rysunku 20a. Gdybyśmy znali dłu−
gość tych prętów oraz wartość G (napię−
cia przypadającego na jednostkę długoś−
ci) dla każdego pręta, to możemy skorzys−
tać z zależności
SMM = I × z = SMM
X
+ SMM
Y
=
H
X
×l
X
+H
Y
×l
Y
Do tej pory wszystko jest jasne – na−
pięcie w obu przypadkach rozłoży się na
dwie części.
Co możesz powiedzieć o wartości
G
X
i
G
Y
oraz
H
X
i
H
Y
?
Pomyśl sam.
Szczerze mówiąc, z ostatniego wzoru
rzeczywiście niewiele wynika... Ponieważ
l
X
+l
Y
=l
możesz przypuszczać, że natę−
żenie pola
H
X
albo jest równe natężeniu
H
w rdzeniu bez szczeliny, albo jest
mniejsze. Zapewne nie jest większe, bo
nie ma powodu, by było większe.
Żeby to wyjaśnić, spróbuj odpowiedzieć
na pytanie, czy w obwodzie elektrycznym
G
X
=G
Y
? Na pierwszy rzut oka może ci się
wydawać, że tak – przecież to jest ten sam
obwód. Jeśli jednak trochę wytężysz szare
komórki, dojdziesz do wniosku, że G
X
niie
musii i zazwyczajj wcalle niie jest równe
G
Y
.. Jednakowy jjest tyllko prąd ellektryczny
II płłynący przez oba pręty..
Jeśli chcesz się bawić we wzory, dla
obu fragmentów obwodu możemy zapi−
sać na podstawie prawa Ohma
(I = U/R)
:
U=G×l
i zapisać:
U
A
=U
X
+U
Y
=G
X
×l
X
+G
Y
×l
Y
Analogicznie możemy zapisać:
SMM I z H l
Wzór ten jak ulał pasował do rdzenia
w kształcie toroidu (por. rysunek 12
w EdW 1/98).
Teraz dobrą piłką przecięliśmy ten
rdzeń w pewnym miejscu i mamy rdzeń
ze szczeliną.
Otrzymaliśmy obwód magnetyczny
zbudowany z dwóch odcinków o różnych
właściwościach magnetycznych. Jak za−
pisać wzorem sytuację? Co z tego wyni−
ka w praktyce?
To proste: napięcie magnetyczne się
nie zmieniło, nadal
U
R
x
x
U
R
Y
Y
SMM I z
I
Ale co z
H
×
l
? Całkowita długość nadal
jest równa
l
przy czym
l=l
X
+l
Y
, gdzie
l
X
– długość rdzenia i
l
Y
– długość szczeliny
powietrznej.
Znów skorzystajmy z analogii. Niech
teraz nasz obwód elektryczny z rysun−
ku11, który potem narysowaliśmy ina−
czej na rysunku 12a, zawiera dwa szere−
gowo połączone pręty z różnych metali –
sytuację pokazuje rysunek 20a. Oczywiś−
cie napięcie U
A
rozłoży się na tych dwóch
opornościach.
oraz indukcja B (bez większego
błędu przyjmujemy, iż pole przekroju
S rdzenia i szczeliny jest takie same). Mo−
żemy więc zapisać:
Φ =
SMM
Rm
x
SMM
Rm
Y
Y
x
Rys. 20a. Obwód elektryczny złożony
z dwóch materiałów
Rys. 20b. Obwód magnetyczny ze
szczeliną
Wiesz, że
R
l
S
U
A
=U
X
+U
Y
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/98
75
= × = ×
= ×
W obwodzie magnetycznym jednako−
wy jest też prąd (czyli strumień) magne−
tyczny
Listy od Piotra
Rm
l
można uważać, że napięcie „nie ma in−
nego wyjścia”, tylko tak się podzielić na
oba opory, żeby przez te opory popłynął
jednakowy (ten sam) prąd. Musi się tak
podzielić, bo w innym wypadku prąd pły−
nący przez oba opory
(I = U/R)
nie byłby
jednakowy, co przy połączeniu szerego−
wym jest niemożliwe – prąd płynący
przez oba opory musi być ten sam. Ana−
logicznie można powiedzieć, że wartościi
G w obu prętach też siię „same” dopasu−
jją w ten sposób,, by zapewniić przepłływ
tego samego prądu przez oba pręty.Po−
toczne stwierdzenie głosi, że w obwo−
dzie szeregowym napięcie dopasowuje
się do oporów, teraz możemy powie−
dzieć, że G dopasowuje się do... prze−
wodności materiału. Jeśli przewodność
materiału jest większa, to do uzyskania
danej wartości prądu wystarczy mniejsza
wartość G. Jeśli z kolei materiał ma
mniejszą przewodność (słabiej przewo−
dzi prąd), to dla uzyskania tej samej war−
tości prądu, G musi mieć większą war−
tość. To chyba trafia ci do przekonania?
W obwodzie magnetycznym jest tak
samo. Prąd, a właściwie strumień mag−
netyczny wyobraziliśmy sobie jako pew−
ną liczbę „linii pola” zamkniętych w rdze−
niu. Linie te muszą być ciągłe. Nie mogą
się nagle urywać. Uważaj, to istotne –
w ferryciie rdzeniia musii być praktyczniie
tylle samo „lliiniiii polla” co w szczellii−
niie. Praktycznie taka sama powinna też
być w całym obwodzie gęstość tych
„lliiniiii” czyllii iindukcjja magnetyczna B.
Czyli
wartość
µ
. Powietrze i próżnia mają bez−
nadziejnie małą wartość
µ
, zwykle kilka
do kilkunastu tysięcy razy mniejszą niż
ferryt – na rysunku 21 dla celów poglądo−
wych narysowałem trochę zbyt optymis−
tycznie wykres zależności B od
H (B=µ
0
×H
gdzie
µ
0
– przenikalność magnetycz−
na próżni) – zasadniczo prosta reprezen−
tująca powietrze powinna przebiegać
jeszcze bardziej płasko.
W ferrycie i w szczelinie musi być za−
chowana taka sama wartość strumienia
(
S
podstawiamy do poprzednich wzorów:
I
U
x x
x
S
U
YY
Y
S
l
l
przekształcamy i porządkujemy:
IS
U
l
x
x
x
U
l
Y
Y
Y
Φ =
S
SSM
l
x
x
SSM
l
Y
Y
Φ
Y
)
oraz indukcji
(B
X
=B
Y
)
, więc na−
tężenie pola
H
musi się odpowiednio
rozłożyć (dopasować). Tak, by w obu ma−
teriałach uzyskać taką samą wartość in−
dukcji. Na rysunku 21 pokazują to zielone
linie. Sam widzisz, że dla uzyskania w su−
mie niewielkiej indukcji
B
1
, w szczelinie
musi wystąpić natężenie
H
1
o bardzo du−
żej wartości.
Oczywiście zgadza się to z wcześniej
wyprowadzonym wzorem:
µ
X
×H
x

Y
×H
Y
Przemyśl to dokładnie – powinieneś to
dobrze zrozumieć. Co z tego wynika
w praktyce?
Jeśli przenikalność ferrytu jest, po−
wiedzmy, 5000 razy większa od przeni−
kalności powietrza, to (uważaj teraz!) na−
tężenie pola w szczelinie musi być 5000
razy większe niż w ferrycie! Tak wycho−
dzi ze wzoru i potwierdza to rysunek 21.
To jest bardzo ważny wniosek, ale na
tym nie koniec.
Zauważ, że nigdzie tu nie występuje
długość
l
. Istotnie na razie wiemy tylko,
że natężenie pola jest odwrotnie propor−
cjonalne do przenikalności
µ
obu ośrod−
ków. Teraz zbadajmy wpływ długości
l
.
A skąd bierze się natężenie pola?
Oczywiście w gruncie rzeczy wytworzo−
ne jest przez prąd płynący w cewce.
SMM = I × z
Mamy więc stałą wartość
I×z
, zupeł−
nie niezależną od tego, czy cewka ma
rdzeń pełny, czy rdzeń ze szczeliną, czy
jest cewką powietrzną. Inaczej mówiąc,
„zasilające” napięcie magnetyczne
(SMM) jest stałe. To napięcie rozdzieli się
x
y
otrzymujemy:
gęstość prądu
= =
I
S
x
Gx
Y
G
Y
Φ
S
= =
x
Hx
Y
H
Y
Inaczej mówiąc, w obwodzie magne−
tycznym z rysunku 20b
µ
X
×H
x
musi być
równe
µ
Y
×H
Y
Jeśli
µ
X
(ferrytu) jest dużo większe,
niż
µ
Y
(powietrza), to dla zachowania po−
danej równości
H
Y
musi być tyleż razy
większe niż
H
x
.
Wychodzi na to, że istotnie
H
X
i
H
Y
wcale nie muszą być i zazwyczaj wcale
nie są równe. Chyba, że przez czysty
przypadek, gdy
µ
X
i
µ
Y
są równe, co na
pewno nie ma miejsca w przypadku fer−
rytu i powietrza.
Cóż, ostatni wniosek jest jasny, ale
może te wzory i przekształcenia były dla
ciebie za trudne. Spróbuj poczuć to intui−
cyjnie. Jeszcze raz wróć do obwodu elek−
trycznego:
Na pewno obwodzie z rysunku 20a
przez oba połączone szeregowo pręty
MUSI płynąć ten sam prąd
I
.
Wiesz, że przy dwóch szeregowo po−
łączonych opornościach, napięcia na nich
będą proporcjonalne do tych oporności –
to zasada znana wszystkim uczniom.
Jeśli przykładowo jedna z oporności jest
czterokrotnie większa od drugiej, to na−
pięcie
U
A
rozłoży się w stosunku 4:1. Na
większej rezystancji
R
X
napięcie wynie−
sie 0,8
U
A
, na mniejszej rezystancji
R
Y
napięcie wyniesie 0,2
U
A
. To potrafi poli−
czyć każdy, nawet początkujący elektro−
nik, korzystając z prawa Ohma. Rozpatry−
wana sprawa jest trochę trudniejsza, bo
trzeba uwzględnić zarówno długość
l obu części obwodu, jak i przewodność
obu materiałów (nie trzeba natomiast za−
stanawiać się nad przekrojem S, bo jest
jednakowy dla obu prętów). Wielu elekt−
roników tłumaczy sobie po cichu, że na−
pięcie „samo z siebie” dzieli się, czy ra−
czej dopasowuje do oporności rezysto−
rów by zachować jednakową wartość
prądu w obu elementach. Rzeczywiście,
Φ
Y
oraz
B
X
=B
Y
Wcześniej poznałeś charakterystykę
magnesowania materiału magnetyczne−
go. Ze względów praktycznych wykres
przedstawia zależność indukcji
B
od na−
tężenia pola
H
, które jest napięciem
magnetycznym przypadającym na jed−
nostkę długości.
Na rysunku 21 na jednym wykresie
zaznaczyłem ci dwie charakterystyki: za−
leżność indukcji od natężenia pola dla ja−
kiegoś ferrytu i dla powietrza. Nachyle−
nie jest miarą
µ
. Czym bardziej stromy
przebieg charakterystyki, tym większa
Rys. 21. Magnesowanie ferrytu i powietrza
76
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/98
X
=
B
X
=
Listy od Piotra
na dwie części. Zgodnie z rysunkiem 20
możemy zapisać:
SMM = I × z = SMM
X
+ SMM
Y
=
H
X
×l
X
+H
Y
×l
Y
I wreszcie dotarliśmy do sedna spra−
wy.
Jeśli ferrytowy rdzeń nie ma szczeliny
(
l
Y
=0
), całe to napięcie magnetyczne
przypadnie na rdzeń i w rdzeniu tym wy−
stąpi pole o natężeniu:
H
Iz
l
Zapamiętaj więc ważny wniosek: na−
wet szczelina o bardzo małych wymia−
rach znacznie wpływa na właściwości ob−
wodu magnetycznego.
W praktyce szczelina ma szerokość
setnych części milimetra, tylko wyjątko−
wo sięga 0,5...1mm.
Chcesz wiedzieć coś więcej? Bez
szczeliny natężenie pola w rdzeniu wyno−
siło
(magnetyczną). Całkowita rezystancja
magnetyczna rdzenia (ze szczeliną)
wzrasta. Jeśli napięcie magnetyczne jest
takie same, a rezystancja magnetyczna
wzrosła, to prąd (strumień) magnetyczny
na pewno się zmniejszy. A zmniejszenie
się strumienia oznacza zmniejszenie in−
dukcji B w rdzeniu.
Jeśli chcesz utrzymać dopuszczalną
dla danego rdzenia indukcję (przy okazji
zwiększając ilość magazynowanej ener−
gii), możesz i powinieneś śmiało zwięk−
szać napięcie magnetyczne. A napięcie
magnetyczne to
SMM = I × z
Czyli możesz zwiększać prąd elektry−
czny płynący przez cewkę, bądź liczbę jej
zwojów, nie powodując nasycenia mate−
riału magnetycznego rdzenia.
Jeśli to rozumiesz, to bardzo dobrze,
ale nie ciesz się zanadto, bo w praktyce
sprawa nie wygląda wcale słodko. Żeby
przeprowadzić ścisłe obliczenia musiał−
byś się sporo natrudzić. W grę wchodzi
tu bowiem kilka związanych ze sobą
czynników. Nie będziemy się w to wgłę−
biać – chcę ci tylko pokazać, że wpraw−
dzie szczelina pozwala zgromadzić więcej
energii, ale bardzo komplikuje obliczenia.
Sam rozumiesz, że nie sztuka ot po
prostu zwiększyć szczelinę. Taka opera−
cja zmniejsza bowiem wypadkową prze−
nikalność rdzenia i tym samym indukcyj−
ność. Zmienia też indukcję w rdzeniu,
a my chcemy pracować przy możliwie
dużej indukcji, bliskiej indukcji nasycenia.
Trzeba zwiększać liczbę zwojów lub prąd.
Już rzut oka na wzór na energię
Iz
l
Zgodnie z rysunkiem 21 wywoła to
w rdzeniu znaczną indukcję
B
2
.
Gdy usuniemy rdzeń ferrytowy, to
samo natężenie
H
wywoła w „powi−
etrznym rdzeniu” bardzo małą indukcję
B
3
. Zaznaczyłem ci to kolorem niebies−
kim.
A w obecności szczeliny?
Rozważmy dwa przykłady. Niech nadal
przenikalność ferrytu
µ
X
jest 5000 razy
większa od przenikalności powietrza
µ
Y
(
µ
X
= 5000 µ
Y
).
Zgodnie z wcześniejszą zależnością
µ
X
×H
x

Y
×H
Y
5000 µ
Y
×H
x

Y
×H
Y
czyli
H
Y
= 5000 × Hx
Załóżmy teraz, że szczelina ma dłu−
gość 100 razy mniejszą od długości ferry−
tu, czyli
l
Y
=l
X
/100
podstawiamy powyższe do wzoru:
SMM = I × z = SMM
X
+ SMM
Y
=
H
X
×l
X
+H
Y
×l
Y
Otrzymujemy:
SMM = I × z = SMM
X
+ SMM
Y
=
Hx × l
X
+ 5000H
X
×l
X
/100=
Hx × l
X
+ 50 × (H
X
×l
X
)
czyli napięcie magnetyczne na szczelinie
(
SMM
Y
= 100H
Y
*l
X
) jest pięćdziesiąt razy
większe (!) niż napięcie magnetyczne na
ferrycie. A przecież szczelina jest stosun−
kowo niewielka.
Zmniejszmy więc szczelinę jeszcze
bardziej. Niech nasz rdzeń ma „pomijal−
nie wąską” szczelinę o długości 5000 ra−
zy mniejszej od drogi magnetycznej
w ferrycie. Przykładowo będzie to szcze−
lina o długości 0,01mm dla rdzenia o dł−
ugości drogi magnetycznej 5cm. Jedna
setna milimetra to mniej niż grubość wło−
sa. I co nam taka mikroskopijna szczelina
zmieni w sporym rdzeniu?
Liczymy:
H
Z „pomijalnie wąską” szczeliną
I × z = Hx × l
X
+H
X
×l
X
= 2 (Hx × l
X
)
Czyli natężenie pola w rdzeniu
H
x
Iz
l
jest przy tym samym prądzie
I
, dwukrot−
nie mniejsze, niż w rdzeniu bez takiej
szczeliny. A jeśli natężenie pola jest dwu−
krotnie mniejsze, wtedy oczywiście od−
powiednio mniejsza jest indukcja
B
.
Czy to dobrze, czy źle? Ty przecież
chcesz zmagazynować w cewce możliwie
dużą ilość energii. Żeby tak było, nie powi−
nieneś zmniejszać indukcji w ferrycie, tyl−
ko pracować przy wartościach indukcji nie−
wiele mniejszych od indukcji nasycenia.
Jeśli wprowadzenie szczeliny zmniejszyło
indukcję, powinieneś tę indukcję zwięk−
szyć do poprzedniej wartości. Jak? Oczy−
wiście zwiększając natężenie pola, a to
przez zwiększenie napięcia magnetyczne−
go
I×z
. Nie będę ci tego wykazywał wzo−
rem, ale chyba czujesz, że dzięki wprowa−
dzeniu szczeliny i zwiększeniu wartości
I×z
zmagazynujesz teraz więcej energii,
niż w cewce z rdzeniem bez szczeliny.
Zrozumiałeś? Wprowadzenie szczeliny
zmniejszyło indukcję, a my chcemy pra−
cować przy możliwie dużej indukcji. Po
wprowadzeniu szczeliny, aby utrzymać tę
dużą indukcję można i trzeba zwiększyć
prąd I lub liczbę zwojów z.
× × ×
S
E
2
l
pokazuje, że sprawa jest skomplikowana.
Ze wzorami może byśmy sobie zresztą
poradzili, ale jest gorszy problem: jak
w praktyce ustalać, czy mierzyć szero−
kość szczeliny, rzędu ułamka milimetra?
Choć nie będę ci podawał dalszych
wzorów do analizy obwodu ze szczeliną (to
zresztą jest ślepa uliczka), jesteś już o krok
od pełnego zrozumienia wpływu szczeliny
na obwód. Ale to jeszcze nie wszystko, co
musisz wiedzieć o szczelinie.
Nie masz chyba wątpliwości, że wpro−
wadzenie szczeliny zmniejsza wypadko−
wą przenikalność
µ
. Dla rdzeni często po−
daje się wypadkową (efektywną) war−
tość przenikalności, oznaczoną w katalo−
gach µ
e
lub
µ
eff
.
(Ale to wcale nie znaczy, że owo
µ
e
jest równe używanej przez praktyków
wartości
A
L
. Wartość
A
L
zależna jest nie
tylko od przenikalności, ale i od wymia−
rów geometrycznych rdzenia.)
Oczywiście różne wartości
µ
e
i odpo−
wiadające im wartości
A
L
uzyskuje się
w prosty sposób, zmieniając wymiar
l
y
x
=
5000
l
podstawiamy (pamiętając, że
H
Y
= 5000
×Hx
)
SMM I z SMM SMM
= × =
x
y
Hx I
5000
H
I
x
Hx I H I
x
x
x
x x
5000
Jesteś zaskoczony? Na „pomijalnie
wąskiej” szczelinie napięcie magnetycz−
ne jest takie same, jak na nieporównanie
dłuższym odcinku ferrytu!
Nie do końca jasne? To spróbujemy
trochę prościej jeszcze raz:
Zwiększając szczelinę wtrącasz do ob−
wodu magnetycznego dużą rezystancję
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/98
77
2
2 2
zI
× +
× +
 Listy od Piotra
Rys. 22. Wpływ szczeliny na wypadkową charakterystykę rdzenia
Teraz jeszcze raz wracamy do pytania:
czy mając daną cewkę z rdzeniem, obli−
czoną do pracy w konkretnej przetworni−
cy, możesz polepszyć właściwości prze−
twornicy, wprowadzając, bądź zwiększa−
jąc szczelinę? (nie jest to problemem –
wystarczy rozłączyć połówki rdzenia
i wsunąć między nie choćby kawałeczki
grubszego papieru.)
Na pierwszy rzut oka, warto zwiększać
szczelinę, bo zwiększa to ilość magazy−
nowanej energii, ale właśnie tu tkwi pu−
łłapka,, o którejj musiisz pamiiętać!
Przede wszystkim, tak po prostu
zwiększając szczelinę, znaczniie zmniiejj−
szyłłbyś iindukcyjjność. A chyba nie o to ci
chodzi? Aby utrzymać indukcyjność, mu−
siałbyś (znacznie) zwiększyć liczbę zwo−
jów. Dla danego rdzenia musiałoby to
oznaczać konieczność użycia cieńszego
drutu, co drastycznie zwiększyłoby rezys−
tancję cewki. Zwiększyłoby tym samym
straty w postaci ciepła wydzielającego
się na tej rezystancji przy przepływie prą−
du. Jeśli przesadzisz z tą szczeliną, te do−
datkowe straty w rezystancji uzwojenia
całkowicie zniweczą wszelkie korzyści
wynikające ze zwiększenia możliwości
magazynowania energii w szczelinie.
Tak samo będzie, jeśli nie zwiększysz
liczby zwojów, tylko będziesz pracował
przy mniejszej indukcyjności i większych
prądach.
W każdym razie dadzą o sobie znać
straty na rezystancji uzwojenia
P=I
2
×R
Jeśli w planowanej przetwornicy w ce−
lu zmniejszenia strat cieplnych w uzwoje−
niu, próbowałbyś zastosować małą induk−
cyjność (małą liczbę zwojów grubego dru−
tu), to musiałbyś pracować przy dużych
częstotliwościach. Ale już wcześniej tłu−
maczyłem ci, że nie możesz nadmiernie
zwiększać częstotliwości, bo rosną wtedy
straty w rdzeniu wynikające z histerezy.
Nie zapominaj też o większych stratach
w tranzystorach przełączających.
Już chyba czujesz, że nie istnieje tu ja−
kaś ścisła granica. I wcale nie ma tu pros−
tego wzoru, który precyzyjnie rozwiązy−
wałby problem.
Przykładowo w niektórych źródłach
spotkasz zalecenie, by tak projektować
przetwornice, aby moc strat w rezystan−
cji uzwojenia była równa sumie strat
w rdzeniu (z histerezy i prądów wiro−
wych). Fajne zalecenie, ale jak się słusz−
nie domyślasz, nie tak łatwo to obliczyć.
Moc strat w rezystancji uzwojenia to pół
biedy, ale do obliczenia strat w rdzeniu
musisz mieć dodatkowe dane o zależnoś−
ci strat cieplnych od częstotliwości oraz
maksymalnej indukcji.
Pomyśl o innych trudnościach
Wszystkie występujące straty spowo−
dują grzanie i znaczny wzrost temperatu−
szczeliny. Rysunek 22 pokazuje, jak zmie−
nia się wypadkowa przenikalność rdzenia
przy różnych szerokościach szczeliny.
Co jeszcze wynika z tego rysunku?
Między innymi to, że po wprowadze−
niu szczeliny radykalnie zwiększa się wy−
padkowa liniowość – pętla histerezy nie
daje już tak o sobie znać. Wcześniej mó−
wiłem ci, że przy cewkach przeznaczo−
nych np. do filtrów czy innych precyzyj−
nych zastosowań, trzeba się liczyć z wy−
stępowaniem zniekształceń (harmonicz−
nych), mających źródło w pętli histerezy.
Chyba czując ten problem „przez skórę”
zastanawiałeś się, dlaczego cewki pracu−
jące choćby w obwodach rezonanso−
wych nie wprowadzają ogromnych znie−
kształceń, czego należałoby się spodzie−
wać po pokrzywionej pętli histerezy. Te−
raz masz odpowiedź: cewka z rdzeniem
bez szczeliny rzeczywiście wprowadzała−
by duże zniekształcenia. Tylko dzięki
szczelinie uzyskuje się dobrą liniowość
i małe zniekształcenia. Dlatego do precy−
zyjnych cewek nie używa się rdzeni to−
roidalnych, mających bardzo duże war−
tości
µ
i
A
L
(
A
L
rzędu kilku tysięcy). Uży−
wa się natomiast rdzeni kubkowych i ty−
pu
RM
lub
X
o stałej
A
L
rzędu kilkudzie−
sięciu do kilkuset.
Wprawdzie wprowadzenie szczeliny
zmniejsza przenikalność (oraz współ−
czynnik
A
L
), co dla uzyskania danej in−
dukcyjności wymaga stosowania więk−
szej ilości zwojów, ale jednocześnie ra−
dykalnie prostuje charakterystykę, i tym
samym zmniejsza zawartość harmonicz−
nych. Masz tu kolejny dowód, że projek−
towanie cewek do bardzo precyzyjnych
zastosowań to coś więcej niż znalezie−
nie liczby zwojów przy danym współ−
czynniku
A
L
! Może czasem się zastana−
wiałeś, dlaczego niektóre cewki muszą
być takie duże? Teraz znalazłeś odpo−
wiedź. Sam ferryt nie jest zbyt stabilny.
Jego parametry (w tym przenikalność)
w znacznym stopniu zmieniają się
z temperaturą i z upływem czasu. Po−
nadto pokrzywiona pętla histerezy wpro−
wadzałaby ogromne zniekształcenia nie−
liniowe. Aby uzyskać małe zniekształce−
nia oraz dużą stabilność cieplną i długo−
czasową, trzeba zastosować rdzeń ze
stosunkowo szeroką szczeliną, czyli ma−
łą wartością
A
L
. Parametry powietrza są
bowiem nieporównanie bardziej stabilne
niż ferrytu.
Wprowadzenie szczeliny radykalnie
zmniejsza przenikalność i stałą
A
L
(z kilku
tysięcy do kilkudziesięciu lub kilkuset).
To z kolei dla osiągnięcia danej indukcyj−
ności wymaga dużej liczby zwojów. Żeby
przy dużej liczbie zwojów uzyskać dużą
dobroć Q, rezystancja cewki musi być
mała, czyli uzwojenie ma być wykonane
odpowiednio grubym drutem. Takie
uzwojenie wymaga dużo miejsca, czyli
zastosowania odpowiednio dużego rdze−
nia. Zauważ, że rdzeń o dużych wymia−
rach pojawił się tu nie ze względu na
przenoszoną moc (która jest znikoma),
ale ze względu na konieczność uzyskania
stabilności cieplnej, małych zniekształ−
ceń nieliniowych i dużej dobroci Q. Teraz
już widzisz, że zaprojektowanie cewki do
jakiegoś precyzyjnego filtru nie jest wca−
le łatwą sprawą, bo trzeba jakoś obliczyć
spodziewaną dobroć (i to nie dla prądu
stałego, ale dla częstotliwości pracy)
oraz oszacować stabilność cieplną i po−
ziom wprowadzanych zniekształceń. Pro−
cedury takiego precyzyjnego projekto−
wania cewek do filtrów znajdziesz w ka−
talogach rdzeni ferrytowych. Tak to już
jest z cewkami. Na twoje szczęście filtry
LC odchodzą pomału do lamusa. Są wy−
pierane przez filtry z tak zwanymi przełą−
czalnymi pojemnościami (w postaci ukła−
dów scalonych). Ale to już temat z zupeł−
nie innej bajki.
Oczywiście omówiona właśnie kwes−
tia dobroci i stabilności jest istotna
w cewkach pracujących w precyzyjnych
obwodach sygnałowych. Nie ma ona
większego znaczenia w cewkach prze−
znaczonych do przetwornic, gdzie nie za−
leży nam na stabilności parametrów i li−
niowości, a wymiary rdzenia wyznaczone
są jedynie przez wymaganą moc prze−
twornicy i nieodłączne straty.
78
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/98
Listy od Piotra
ry. W takim razie trzeba uwzględnić jesz−
cze inne czynniki, choćby zmiany para−
metrów rdzenia i uzwojenia pod jej wpły−
wem, a także temperaturę Curie (w któ−
rej rdzeń zupełnie straci właściwości
magnetyczne).
Krótko mówiąc trzeba byłoby obliczyć,
o ile wzrośnie temperatura rdzenia. Zwyk−
le zakłada się, że temperatura wnętrza
rdzeniia nie może przekroczyć +100°C.
Związane jest to nie tylko z właściwościa−
mi magnetycznymi rdzenia, ale również
z odpornością izolacji przewodu nawojo−
wego cewki na wysokie temperatury. We
wnętrzu uzwojenia temperatura będzie
jeszcze wyższa niż temperatura rdzenia.
Izolacja typowego drutu nawojowego wy−
trzymuje nie więcej niż +130°C (wzmoc−
nione odmiany do +150°C i +180°C).
Nie pomyślałeś o tym, prawda? A czy
potrafisz obliczyć temperaturę we wnęt−
rzu uzwojenia cewki? A temperaturę
wnętrza rdzenia w najgorętszym punkcie
(tzw. hot spot)?
Ponieważ w twojej cewce i elemen−
tach układu będą występować straty, po−
winieneś policzyć także ogólną spraw−
ność, by się nie okazało, że sprawność
przetwornicy jest kiepska i cała gra nie
jest warta świeczki.
Zapewniam cię, że nie jest to wcale
łatwe. A takie obliczenia powinieneś
przeprowadzić, jeśli chcesz być rzetel−
nym konstruktorem.
A może powiesz, że ty będziesz stoso−
wał większe rdzenie, grubszy drut,
wszystko z zapasem na wszelki wypa−
dek. W porządku, jeśli chcesz do wożenia
codziennych zakupów używać 20−tono−
wej ciężarówki, to twoja sprawa. Jeśli
jednak zgodnie z obecnymi trendami
chciałbyś zaprojektować możliwie małą
przetwornicę, musiałbyś uwzględnić
wszystkie wymienione czynniki.
To co, czyżby, krótko mówiąc – mogiła?
A przed miesiącem wydawało ci się,
że po zrozumieniu tego nieszczęsnego
B
i
H
już wszystko wiesz o obwodach
magnetycznych i świat (przetwornic im−
pulsowych) leży u twych stóp. I teraz
wszystko posypało się jak domek z kart!
Nie wystarczy znać książkową teorię, na−
leżałoby bowiem uwzględnić nie tylko
wpływ szczeliny, ale też umieć obliczać
wszystkie straty cieplne (w uzwojeniu
i rdzeniu), by nie przegrzać rdzenia i za−
chować wysoki współczynnik sprawnoś−
ci przetwornicy.
Potwierdziło się powszechne przeko−
nanie, że precyzyjne obliczanie cewek
czy transformatorów do przetwornic im−
pulsowych naprawdę nie jest łatwym za−
daniem. Z transformatorami do siecio−
wych zasilaczy impulsowych (współpra−
cującymi z siecią 220V) sprawa jest jesz−
cze trudniejsza, bo trzeba dodatkowo
uwzględnić przepisy bezpieczeństwa
wymagające określonych odstępów izo−
lacyjnych.
Uważaj teraz! To bardzo ważne!
Niestety, nie ma jednego jedynie
słusznego wzoru na obliczanie cewek do
przetwornic większej mocy!
Ponieważ trzeba uwzględnić wiele
czynników, różni autorzy proponują od−
mienne podejścia do zagadnienia i uzys−
kują nieco odmienne wyniki. Zwykle cała
procedura zaczyna się od tablic lub wy−
kresów, pokazujących jaką moc można
uzyskać z różnymi rdzeniami przy różnych
częstotliwościach (ewentualnie przy róż−
nych szerokościach szczeliny). Po wstęp−
nym wyborze rdzenia odpowiedniej wiel−
kości, należy przeprowadzić szczegółowe
obliczenia, które wykażą, czy rzeczywiś−
cie uda się uzyskać założone parametry,
nie przekraczając dopuszczalnej indukcji,
temperatury i mocy strat. Na pewno po−
trzebne są do tego katalogi rdzeni ferryto−
wych. I to nie jakiekolwiek katalogi rdze−
ni. Informacje zawarte w katalogach ty−
powych rdzeni do filtrów (kubkowe, RM)
nie zawsze wystarczą do precyzyjnego
zaprojektowania cewki przetwornicy,
choć same rdzenie w zasadzie się do te−
go nadają. Najlepiej zdobyć specjalny ka−
talog rdzeni do przetwornic (ETD, EE), za−
wierający opis procedury projektowej dla
przetwornic mocy.
Niestety, w niektórych źródłach zawie−
rających sposób obliczania cewek do
przetwornic występują błędy (zwykle są
to tzw. błędy drukarskie), które nie po−
zwalają uzyskać prawidłowych wyników.
Czy się aby nie załamałeś? To po co
były te wszystkie analizy, bicie głową
w mur, by zrozumieć podane zależności,
jeśli teraz na koniec i tak okazało się, że
postawione zadanie obliczenia cewki do
przetwornicy przerasta siły większości
Czytelników EdW?
Rzeczywiście, nasze omawianie teori−
i obwodów magnetycznych to pasmo
wzlotów i upadków. Co jakiś czas wydaje
się nam, że już wiemy niemal wszystko,
że otworzy się nam w głowie jakaś klap−
ka i cała sprawa okaże się beznadziejnie
prosta. Za chwilę przypominamy sobie
o dodatkowych czynnikach i całe dobre
samopoczucie bierze w łeb.
Niestety tak to już jest z tymi obwoda−
mi magnetycznymi. To, co podaje się
w podręcznikach dla szkół średnich jest
tylko wierzchołkiem góry lodowej. Pod−
ręczniki zawierają zazwyczaj tylko ele−
mentarne podstawy, a podane w nich
wzory okazują się zupełnie nieprzydatne
w praktyce. Szczerze mówiąc bardziej
wprowadzają w błąd niż czegoś uczą.
Wzbudzają tylko apetyt i wyprowadzają
w przysłowiowe maliny. Sam chyba wi−
dzisz na swoim przykładzie, że wiedza
którą wkuwałeś w szkole okazuje się być
daleka od praktyki.
Z podstawowymi wiadomościami ze
studiów jest niestety podobnie. Oczywiś−
cie informacje podawane w akademickich
podręcznikach z teorii obwodów są jak
najbardziej prawdziwe. Tylko od tej wie−
dzy do praktyki (czyli projektowania ce−
wek do filtrów i przetwornic) jest jeszcze
duży kawał drogi. Na domiar złego sposób
wprowadzenia i zaprezentowania mate−
riału z teorii obwodów wręcz mąci w gło−
wie osobom, które zdążyły cośkolwiek
„liznąć” praktyki. Takie jest moje zdanie
w tej kwestii i myślę, że je podzielasz.
W każdym razie nie załamuj się! Nie
zostawię cię z ręką w nocniku. Podejdzie−
my do sprawy z zupełnie innej strony –
w słusznym czasie pokażę ci prosty i prak−
tyczny sposób, by sprawdzić i zmierzyć
kluczowe parametry każdej cewki, istotne
dla jej pracy w układzie przetwornicy.
W najbliższym czasie przestanę cię
wreszcie katować całą tą koszmarną teo−
rią i zapoznam z jakże wdzięcznym i wca−
le nietrudnym tematem. Poznasz wresz−
cie trzy podstawowe układy pracy prze−
twornic. Choć na razie nie będziesz potra−
fił precyzyjnie zaprojektować cewki do
przetwornicy, to jednak uzbrojony w zdo−
bytą wiedzę, rozumiejąc ograniczenia,
będziesz umiał wykonać praktyczny układ
prostej przetwornicy i dobrać parametry
zarówno cewki, jak i układu sterującego.
Jeśli natomiast chcesz zapoznać się
bliżej z tematem projektowania cewek do
przetwornic, zapoznaj się z pozycjami,
wymienionymi na końcu artykułu.
Na razie spróbuj poukładać sobie
w głowie wiadomości zdobyte w po−
przednich miesiącach.
Zgodnie z zapowiedzią z poprzednich
numerów musiałem przeprowadzić cię
przez bagniste meandry teorii obwodów
magnetycznych, byś miał obraz całości
problemu i rozumiał występujące bariery.
Mam nadzieję, że ostatnie kilka moich
listów pokazało ci ogólny obraz zagadnie−
nia, a w szczególności pokazało ograni−
czenia, jakże ważne w praktyce, a pomija−
ne w podręcznikach. Mam świadomość,
że nie omówiliśmy wszystkiego do koń−
ca, ale jak cię znam, wszystko to, czego
się dowiedziałeś o trudnościach i ograni−
czeniach, skutecznie odebrało ci chęć
wgłębiania się w tajniki projektowania „na
papierze” cewek do przetwornic. A może
się mylę? W takim razie napisz do mnie.
Piiotr Góreckii
Bibliografia
Ödön Ferenczi:
Zasilanie układów elektronicznych
Przetwornice impulsowe
Ödön Ferenczi:
Zasilanie układów elektronicznych
Zasilacze ze stabilizatorami do pracy
ciągłej. Przetwornice DC − DC.
Katalog Philips:
Ferroxcube for power audio/video...
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/98
79
[ Pobierz całość w formacie PDF ]