Przetwornice - ogolnie -2, ELEKTRONIKA, PRZETWORNICE IMPULSOWE

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Fundamenty Elektroniki
W tym liście nadal będę Cię
namawiał do zapoznania się
z zasilaczami impulsowymi.
Temat jest może trudny,
ale już teraz wyobraź sobie
swoją radość, gdy wreszcie
wszystko zrozumiesz!
Czytaj więc!
P
rzetwornice impulsowe
– ogólnie
Podstawowymi schematami elekt−
rycznymi przetwornic indukcyjnych za−
jmiemy się w przyszłości, więc jeśli nie
rozumiesz szczegółów, nie przejmuj się.
W tym liście chcę ci tylko pokazać pewne
ogólne zasady i zależności.
Nas interesować będzie w tej chwili
moc, jaką może przenieść dana przetwor−
nica, a jeszcze bardziej kwestia, jaką cew−
kę zastosować do przetwornicy. Na razie
zapomnij o sprawie napięć: czy napięcie
wyjściowe ma być wyższe, czy niższe do
napięcia zasilającego. To akurat jest teraz
najmniej ważne.
Przetwornica indukcyjna może pod−
wyższyć lub obniżyć napięcie, i to ze
sprawnością dochodzącą do 90%, lub
nawet więcej.
W zasilaczu lub przetwornicy impulso−
wej (zarówno pojemnościowej, jak induk−
cyjnej) generalna zasada działania jest na−
stępująca:
· ze źródła zasilania pobierana jest porcja
energii – porcja ta jest magazynowana
w kondensatorze lub cewce.
· zmagazynowana energia przekazywana
jest do obciążenia.
Zazwyczaj mamy do czynienia z prze−
twornicami pracującymi w takim dwufa−
zowym cyklu pracy. W pierwszej fazie
energia jest pobierana ze źródła zasilania,
w drugiej – przekazywana do obciążenia.
A po drodze dokonuje się, niejako przy
okazji, zmiana poziomów napięć – do−
kładnie tak, jak to sobie zaplanował kon−
struktor.
Teraz podam ci prostą ilustrację pracy
przetwornicy czy zasilacza impulsowego
(zobacz rysunek 5):
Masz dwie beczki – jedną pełną wody,
drugą pustą. Twoim zadaniem jest prze−
lać całą wodę z jednej beczki do drugiej.
Zapewne użyjesz jakiegoś naczynia: mo−
że wiadra albo półlitrowego kubka. A mo−
że zechcesz wykonać to za pomocą ły−
żeczki od herbaty?
Zastanów się: jeśli używając różnych
naczyń, chciałbyś osiągnąć zawsze jedna−
kową wydajność, to musiałbyś zmieniać
częstotliwość przelewania. Przy użyciu
wiadra, jednorazowo gromadzącego 10
litrów, częstotliwość będzie mała. Żeby
taką samą wydajność utrzymać przy uży−
ciu półlitrowego kubka musiałbyś mniej
więcej 20−krotnie zwiększyć częstotli−
wość napełniania i opróżniania kubka.
A przy użyciu łyżeczki? Zapewne nie na−
dążyłbyś machać ręką tak szybko...
Nie śmiej się jednak z łyżeczki od her−
baty. Jeśli jakimś cudem potrafiłbyś ma−
chać łyżeczką dostatecznie szybko, także
przy użyciu łyżeczki uzyskałbyś wymaga−
ną wydajność.
Mamy więc szerokie możliwości wy−
boru: albo duże wiadro i mała częstotli−
Rys. 5. Ilustracja zasady działania przetwornicy impulsowej
68
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 11/97
Listy od Piotra
wość, albo łyżeczka i bardzo duża częs−
totliwość. A może coś pośredniego?
W praktyce interesuje nas przede
wszystkim moc, jaką może przenieść da−
ny zasilacz lub przetwornica (czyli wydaj−
ność przelewania wody), a nie tyle ener−
gia jednorazowo gromadzona w cewce
(pojemność naczynia używanego do
przelewania).
Obliczyć moc? Nic trudnego. Wystar−
czy pomnożyć ilość energii, czyli porcję,
gromadzoną w jednym cyklu, przez ilość
cykli w ciągu sekundy (czyli częstotli−
wość) i już mamy moc! To wszystko!
P=E*f
gdzie E – energia gromadzona w cewce
w jednym cyklu, f – częstotliwość.
Dokładnie tak samo ma się sprawa
z przetwornicami pojemnościowymi, jak
i indukcyjnymi.
Zapominamy jednak o przetwornicach
pojemnościowych – ich działanie jest
proste i nie ma potrzeby się nimi zajmo−
wać. Zasada działania przetwornic po−
jemnościowych podana była przed dwo−
ma miesiącami w EdW w Klubie Kon−
struktorów.
W zasięgu naszych zainteresowań po−
zostają przetwornice indukcyjne. Przypo−
mnę ci główny wniosek:
Taką samą moc przetworniicy możesz
uzyskać przy małłejj częstotlliiwościi pracy,
stosujjąc cewkę gromadzącą na raz dużą
iillość energiiii, allbo też będziiesz pracowałł
przy dużejj częstotlliiwościi stosujjąc cewkę
gromadzącą na raz małło energiiii.
Co jest korzystniejsze? To waśnie jest
jednym z głównych tematów artykułu.
Nie sposób odpowiedzieć jednym zda−
niem – dojdziemy do tego pomalutku.
Ale wstępny wniosek można wyciąg−
nąć już teraz: w dobie powszechnej mi−
niaturyzacji, najprawdopodobniej lepiej
będzie użyć małej „łyżeczki”, czyli małej
cewki i pracować przy dużych częstotli−
wościach. Rzeczywiście, w tym kierunku
idzie współczesna technika.
Z tego co podałem dotychczas, wyni−
ka że przy dużych częstotliwościach
mógłbyś zastosować cewkę o małych
wymiarach, gromadzącą jednorazowo
niewielką ilość energii. Ale sprawa nie
jest tak jednoznaczna.
Co to znaczy duża częstotliwość?
Obecnie najszybsze przetwornice
impulsowe pracują przy częstotliwoś−
ciach rzędu 300...500kHz, a nawet wię−
cej. Współczesne tranzystory są bardzo
szybkie, ale przy częstotliwościach rzę−
du kilkuset kiloherców, przy znacznych
prądach i napięciach, istotną barierą są
straty mocy w tych tranzystorach pod−
czas przełączania. Tematem tym nie bę−
dziemy się zajmować szczegółowo –
jest to zresztą bardzo obszerne zagad−
nienie.
W każdym razie, jeśli chodzi o przetwor−
nice impulsowe, mamy już jedno ograni−
czenie: wzrost strat w tranzystorach, ze
wzrostem częstotliwości przełączania.
Przyjrzymy się teraz po kolei wszyst−
kim pozostałym ograniczeniom.
Przeanalizuj teraz rysunek 6 i zauważ,
że ferryt F−2002 ma dobre parametry,
czyli małe straty, przy częstotliwościach
nie przekraczających 100kHz. Ale jakie
parametry (ściślej biorąc – jakie straty)
miałby ten ferryt przy częstotliwościach
rzędu dziesiątek megaherców? Wcale
nie zaznaczono tego na rysunku, bo stra−
ty byłyby bardzo duże – ferryt ten nie na−
daje się do pracy przy tak dużych częstot−
liwościach. Z przebiegu krzywej charakte−
rystyki widać, że straty gwałtownie rosną
po przekroczeniu częstotliwości 100kHz.
Co to oznacza w praktyce?
W przypadku obwodu rezonansowe−
go, wskutek strat w rdzeniu nie udało−
by się osiągnąć przyzwoitej wartości
dobroci Q. Filtr zbudowany z takim
rdzeniem miałby kiepskie właściwości
filtrujące.
Natomiast w przypadku przetwornicy,
w rdzeniu wydzielałaby się bardzo duża
moc strat i temperatura rdzenia wzrosła−
by nawet do kilkuset stopni Celsjusza.
Nie mów: „niech sobie rośnie”! Czy sły−
szałeś kiedyś o temperaturze (punkcie)
Właściwości materiałów
magnetycznych
Materiał z tego śródtytułu przeznaczo−
ny jest dla osób, które już miały jakiś kon−
takt z tymi zagadnieniami. Jeśli czegoś
nie zrozumiesz, nie wpadaj w panikę.
Zrozumiesz to później, a podany materiał
nie jest niezbędny do zaprojektowania
prostej przetwornicy napięcia.
Na pewno zastanawiałeś się już, czym
różnią się poszczególne materiały stoso−
wane na rdzenie magnetyczne. Dlaczego
do budowy transformatorów sieciowych
stosuje się rdzenie z blach, a nie rdzenie
ferrytowe? Czym różnią się poszczególne
rodzaje ferrytów? Czym tak naprawdę
różni się ferryt o oznaczeniu F−2002 od
ferrytu U−11?
Popatrz na rysunek 6.
Rys. 6. Współczynnik strat ferrytów w funkcji częstotliwości
reprezen−
tuje straty. Z kolei µ to przenikalność
magnetyczna materiału. Znów nie musisz
wszystkiego wiedzieć – pamiętaj tylko,
że iloraz t
Curie? Temperatura Curie, to taka tempe−
ratura, w której materiał magnetyczny
traci swe własności magnetyczne. Cew−
ka z takim gorącym rdzeniem straciłaby
więc w pewnej chwili radykalnie swą
pierwotną indukcyjność i przetwornica
tym gwałtowniej zaczęłaby się nagrze−
wać, a prądy wzrosłyby aż do uszkodze−
nia tranzystorów.
A co można powiedzieć o ferrycie U−
11? Czy można go zastosować przy
częstotliwościach rzędu 10kHz? Oczy−
wiście, że można! Na rysunku 6 nie za−
znaczono co prawda współczynnika strat
dla tak małych częstotliwości. Ale na
pewno spodziewany przebieg krzywej
charakterystyki dla tak małych częstotli−
wości będzie przebiegał znacznie powy−
/µ jest pewnego rodzaju miarą
jakości, jeśli chodzi o straty – materiał
jest tym lepszy, czym ten iloraz jest
mniejszy.
Wcześniej obrazowo tłumaczyłem ci,
że materiał magnetyczny zawiera swego
rodzaju elementarne magnesiki zamoco−
wane na sprężynkach i że przy ruchu tych
magnesików występuje tarcie. A tarcie to
straty w postaci ciepła. Właśnie parametr
t
/µ jest miarą takich strat. Co ważne,
wielkość strat zależy od częstotliwości,
i to różnie w różnych materiałach.
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 11/97
69
Jeśli pamiętasz, co pisałem ci kiedyś
o kondensatorach, wiesz że t
Listy od Piotra
żej krzywych reprezentujących ferryty F−
6001, F−3001, F−2001, czy F−1501 (odpo−
wiednik F−1001). Jak widać, dla małych
częstotliwości można, ale nie warto sto−
sować tego ferrytu, bo inne ferryty (F−
1501, F2002, F−3001, czy F−6001) za−
pewnią nieporównanie mniejsze straty.
Nie zapominaj, że na rysunku zastosowa−
no skalę logarytmiczną – różnica w ilości
strat będzie kilkudziesięcio−, może nawet
stukrotna.
Czy już rozumiesz, na czym polega do−
bór odpowiedniego materiału dla danego
zakresu częstotliwości?
Jeśli wydaje ci się, że to rozumiesz, to
zadam ci dość trudne pytanie: dlaczego
w transformatorach sieciowych nie sto−
suje się rdzeni ferrytowych, tylko rdzenie
z blach? Jak myślisz, jak przebiegałaby
charakterystyka blachy transformatoro−
wej na rysunku 6?
Pomyśl chwilę!
Parametry blachy (przede wszystkim
przenikalność magnetyczna µ i maksy−
malna indukcja B) są zdecydowanie lep−
sze, niż jakiegokolwiek ferrytu, ale tylko
przy bardzo małych częstotliwościach.
Przy dużych częstotliwościach gwałtow−
nie rosną straty w rdzeniu.
Natomiast przy częstotliwościach rzę−
du dziesiątek kiloherców i wyższych, fer−
ryty mają mniejsze straty niż blacha trans−
formatorowa
Dlatego do budowy przetwornic im−
pulsowych nie wykorzystuje się rdzeni
z blach, a z kolei do budowy transforma−
torków mikrofonowych używa się tylko
rdzeni z blach.
I jeszcze jedno pytanie kontrolne:
czy do budowy transformatorka mikro−
fonowego można użyć rdzenia ferryto−
wego? Czy ferryt (powiedzmy F−2002)
nadaje się do pracy przy częstotliwoś−
ciach w okolicach dolnej granicy pas−
ma akustycznego, czyli przy 20...40Hz?
A może przy takich
częstotliwościach
ferryt traci jakieś
właściwości i nie
może być wyko−
rzystany? Takie py−
tania zadaje sobie
wielu początkują−
cych elektroników,
niepewnych, jak
zachowuje się fer−
ryt przy tak małych
częstotliwościach.
Odpowiedź jest
prosta: ferryt nicze−
go nie traci przy nis−
kich częstotliwościach! Problem z budo−
wą transformatora mikrofonowego leży
zupełnie gdzie indziej. Dla przeniesienia
pełnego pasma akustycznego, począwszy
od 20...30Hz, uzwojenie transformatora
musi mieć dużą indukcyjność. Ponieważ
rdzeń z blach ma znacznie większą przeni−
kalność magnetyczną, niż jakikolwiek fer−
ryt, transformator z rdzeniem z blach ma
znacznie mniej zwojów, niż transformator
z jakimkolwiek rdzeniem ferrytowym.
Problem z ferrytami polega na tym,
że zwiększenie liczby zwojów wiąże się
ze zwiększeniem pojemności własnej
takiego uzwojenia, co pociąga za sobą
powstanie rezonansu (pojemności i in−
dukcyjności własnej cewki) na stosun−
kowo niskiej częstotliwości i w konsek−
wencji trudności z dobrym przeniesie−
niem górnych częstotliwości pasma
akustycznego.
Nawet jeśli nie do końca zrozumiałeś
myśli z ostatniego akapitu, zapamiętaj raz
na zawsze, że ferryt nie traci żadnych właś−
ciwości przy małych częstotliwościach.
Powracamy teraz do głównego wątku
naszych rozważań.
Omówiliśmy kolejne ograniczenie –
wzrost strat wynikających z ”tarcia
magnesików w rdzeniu” wraz ze
wzrostem częstotliwości dla różnych
materiałów.
W tych rozważaniach odeszliśmy już
trochę od naszych przetwornic impulso−
wych. Wracamy do analizy ograniczeń.
Straty z prądów wirowych
Nieprzypadkowo „trułem” ci w poprze−
dnim liście o indukowaniu się w cewce
napięć i prądów pod wpływem zmian po−
la magnetycznego. Jeśli w czasie pracy
przetwornicy pole zmienia swą „siłę”, to
chyba napięcia i prądy indukują się nie tyl−
ko w uzwojeniu cewki, ale też we wszel−
kich niezbyt odległych częściach przewo−
dzących...
Słusznie! Tak jest w istocie! Pomyśl,
jakie to ma konsekwencje?
Jeśli rdzeń cewki wykonany będzie
z przewodzącego prąd materiału, to prą−
dy (wirowe) pojawią się także w rdzeniu.
Przepływ tych prądów przez niezerową
rezystancję rdzenia oznacza wydzielanie
się pewnej mocy strat.
Znaleźliśmy więc kolejne ograniczenie –
straty wywołane prądami wirowymi.
Wniosek? Materiał rdzenia nie powi−
nien przewodzić prądu. Hop, hop, nie za
szybko.
Blacha transformatorowa, jak to bla−
cha, dobrze przewodzi prąd. Jedyna rada,
żeby zmniejszyć straty powodowane prą−
dami wirowymi, to polakierować po−
szczególne blaszki (kształtki) nieprzewo−
dzącym lakierem. Prądy wirowe nie będą
mogły hasać po całym rdzeniu, tylko po
poszczególnych blaszkach, co już sporo
poprawi sytuację.
Lepiej jest w przypadku rdzeni ferryto−
wych, bo dzięki odpowiedniemu składowi
i domieszkom przewodzą one prąd w nie−
wielkim stopniu – mają dużą rezystancję.
Omówiliśmy oto kolejną przyczynę
występowania strat – przepływ szkodli−
wych prądów wirowych w rdzeniu.
W następnym numerze opowiem Ci
o kolejnych ograniczeniach.
Piiotr Góreckii
grafiika: Małłgorzata Zackiiewiicz
70
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 11/97
Listy od Piotra
Częstotliwość pracy
a szybkość narastania
prądu
Ten śródtytuł wyjaśni ci zależność mię−
dzy częstotliwością pracy przetwornicy,
a potrzebną wartością indukcyjności za−
stosowanej cewki.
Z tego, co ci powiedziałem do tej pory,
mogłeś wysnuć wniosek, że w praktyce
stosuje się przetwornice pracujące przy
częstotliwościach rzędu stu i więcej kilo−
herców. Są i takie przetwornice, ale
wciąż wiele przetwornic pracuje przy
częstotliwościach 20...40kHz.
Unika się natomiast pracy przy częs−
totliwości poniżej 20kHz, bo pracy prze−
twornicy mógłby towarzyszyć pisk sły−
szalny przez ludzi.
Wcześniej powiedziałem ci, że podsta−
wowym powodem pracy z coraz wyższy−
mi częstotliwościami jest postępująca
miniaturyzacja. Przy dużych częstotliwoś−
ciach możemy, mówiąc obrazowo, użyć
małej łyżeczki, i przenoszona moc będzie
duża.
Przypuśćmy jednak, że tobie nie zależy
na miniaturyzacji. Masz w urządzeniu spo−
ro miejsca i śmiało możesz zastosować
cewkę o trochę większych rozmiarach.
Nie zamierzasz „żyłować” paramet−
rów – będziesz pracować przy częstotli−
wości 20kHz i nawet na wszelki wypadek
zastosujesz cewkę o większej indukcyj−
ności niż wymagana minimalna...
Stop! Popełnisz karygodny błąd!
W przypadku cewek do przetwornic
indukcyjność nie może być dobierana „z
zapasem na wszelki wypadek”. To jedna
z kluczowych spraw. Musisz to dokładnie
rozumieć – zaraz ci wytłumaczę dlaczego.
Owszem, w przypadku kondensato−
rów elektrolitycznych w obwodach filtra−
cji zasilania bardzo często (prawie za−
wsze), dajemy pojemność większą, niż
wymagana minimalna. Jest to bardzo
słuszne, bo kondensatory te mają po
pierwsze duże odchyłki pojemności od
wartości nominalnej – do 40...50%, a po
drugie, niektóre z tych kondensatorów
starzejąc się, tracą znaczną część pojem−
ności (wskutek wysychania elektrolitu).
Stosowanie elektrolitów „z zapasem
na wszelki wypadek” w zasilaczach, do
odsprzęgania i sprzęgania ma więc swo−
je głębokie uzasadnienie praktyczne.
Inaczej jest w przypadku cewek do
przetwornic.
Pracę przetwornicy przyrównaliśmy
do przelewania wody z jednej beczki do
drugiej. Nasza cewka jest naczyniem,
którym czerpiemy wodę z jednej beczki,
a za chwilę wylewamy do drugiej beczki.
Przypuśćmy, że obliczyliśmy już częs−
totliwość, z jaką musimy czerpać wodę
używając szklanki. Ale potem wpadamy
na pomysł, żeby „na wszelki wypadek”
użyć większego, litrowego naczynia.
Częstotliwość pozostanie ta sama, na−
czynie będzie większe – chyba nie będzie
problemu?
No właśnie, tu tkwi błąd, bo tym nowym
naczyniem, wbrew naszym intencjom oka−
że się nie litrowy, płaski rondel, tylko litro−
wa... butelka po wodzie mineralnej.
Pojemność naczynia rzeczywiście bę−
dzie większa, ale przecież taka butelka
ma wąską szyjkę. Efekt?
Przy użyciu „dobranej z zapasem”, lit−
rowej butelki wydajność przelewania ra−
dykalnie... spadnie, bo butelka nie zdąży
się napełnić w przepisanym czasie nawet
w jednej czwartej! Nasza zapobiegliwość
„na wszelki wypadek” okazała się po−
mysłem fatalnym w skutkach.
Możesz sobie wyobrażać w uprosz−
czeniu, że przetwornica po prostu sieka
przebieg stały.
Przy napięciu zasilającym Uz i cewce
o indukcyjności L, chwilowa wartość prą−
du po czasie t wyniesie:
I
Uz t
L
Oczywiście wartość ta musi być
mniejsza od maksymalnego dla danej
cewki prądu Imax (por. rysunki 3 i 4 w po−
przednim liście). Ale nie to jest teraz naj−
ważniejsze.
Nasza przetwornica ma pracować przy
jakiejś ustalonej częstotliwości, więc jest
już z góry określone, ile czasu mamy na
„naładowanie” cewki, czyli na zgroma−
dzenie w niej potrzebnej porcji energii.
Jest to nasz czas t.
Gromadzona w cewce energia wyraża
się wzorem
LI
2
E
2
Jeśli podstawimy naszą wartość
I z poprzedniego wzoru, otrzymamy:
L
Uz t
L
2
E
2
Ut
L
E
z
2
Czy potrafisz mi wyjaśnić, czym jest ta
„wąska szyjka butelki” w przypadku
cewki o indukcyjności większej niż po−
trzeba?
Nie wiesz?
To zajrzyj do EdW 1/97 na stronę 59
i jeszcze raz przeanalizuj rysunki 11
i 12 (przypominam: na rysunku 11 po−
winno być U=const). Sprawę wyjaśnia
rysunek 12 i podane wzory. Przy da−
nym napięciu zasilania Uz, prąd
w cewce o większej indukcyjności
wzrasta wolniej, niż w cewce o małej
indukcyjności.
To samo wynika z rysunków 3 i 4, po−
danych w liście z października 97.
Dla odważnych mam teraz kilka pros−
tych wzorów.
Przy rozpatrywaniu tych wzorów pa−
miętaj, że choć przetwornica jest impul−
sowa, czyli ma coś wspólnego z prądami
zmiennymi, jej działanie analizujemy sto−
sując wzory opisujące działanie cewki
przy prądzie stałym.
Ze wzoru tego wynika niedwuznacz−
nie, że przy ustalonym napięciu zasilania
Uz i ustalonym czasie „ładowania”, zgro−
madzona w cewce energia, jest tym
mniejsza, im większa jest indukcyjność!
Nawet jeśli nie zrozumiałeś sensu po−
wyższych wzorów, chyba już poczułeś to
intuicyjnie – już pierwszy rzut oka na
wzór
LI
2
E
2
pokazuje, że decydujące znaczenie ma tu
prąd, który we wzorze występuje w dru−
giej potędze.
Tymczasem, o zgrozo, zwiększenie
indukcyjności spowalnia narastanie
prądu, nie pozwalając na zgromadze−
nie się w cewce potrzebnej ilości
energii. Teraz chyba już rozumiesz, jak
to jest z tym wąskim gardłem butelki:
za duża indukcyjność, to zbyt wolne
narastanie prądu, czyli zbyt wolne na−
pełnianie butelki.
Tym samym doszliśmy do bardzo, ale
to bardzo ważnego wniosku:
Przy danym napiięciiu zasiillaniia ii ustallo−
nejj częstotlliiwościi pracy przetworniicy,
nadmiierne zwiiększaniie indukcyjjnościi
jjest szkodlliiwe, bo zmniiejjsza moc przeno−
szoną przez przetworniicę.
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 11/97
71
22
Listy od Piotra
Jeśli tak, to po analizie powyższych
wzorów, mógłbyś dojść do wniosku, że
indukcyjność trzeba zmniejszać, bo wte−
dy prąd szybko rośnie i można zgroma−
dzić w cewce dużo energii. To prawda,
ale... Stop! Nie tak prędko!
Znów możesz „przedobrzyć”
Co to znaczy zmniejszyć indukcyj−
ność? Zastosować cewkę o mniejszych
wymiarach? O mniejszej liczbie zwojów?
A może rdzeń powinien mieć mniejszą
przenikalność? Może wyposażyć rdzeń
w szczelinę powietrzną?
No właśnie! Mamy sporo możliwości.
Celowo „nudziłem” cię wcześniej aż
do mdłości opowiadaniem o dielektryku
kondensatora i rdzeniu cewki! Indukcyj−
ność możesz zmniejszać, tym samym
zwiększając szybkość narastania prądu.
Ale nie uważaj, że zmniejszanie indukcyj−
ności (np. przez zmniejszenie ilości zwo−
jów cewki) od razu rozwiąże problem. Pa−
miętaj, że dla zgromadzenia określonej
ilości energii, musisz zastosować rdzeń
o odpowiedniej wielkości – przecież
energia gromadzona jest w „sprężynkach
magnesików”. Tego wymagania nie omi−
niesz! Gdzieś tę energię musisz zgroma−
dzić.
Uff! Masz tu do przeanalizowania ko−
lejną ważną sprawę – wielkość rdzenia.
Mówię ci tu dużo o wielkości rdzenia
cewki. Wyjaśnię ci to jeszcze bliżej
w przyszłości. Ale do wszystkiego bę−
dziemy dochodzić pomału, żebyś się nie
zraził.
Może w pierwszej chwili, trudno to
poczuć intuicyjnie, ale postaraj się zrozu−
mieć tę sprawę – powróć do poprzednie−
go listu i poukładaj w głowie.
Podzielę się tu z tobą moją opinią: we
wszystkich znanych mi podręcznikach
nie tłumaczy się jasno i przystępnie
związku między gromadzoną energią,
a wielkością rdzenia i wielkością ewentu−
alnej szczeliny powietrznej. Podaje się za
to mnóstwo skomplikowanych wzorów,
od których od razu zaczyna boleć głowa.
W literaturze spotkałem przynajmniej kil−
ka sposobów na obliczanie cewek prze−
znaczonych do przetwornic, i muszę ci
powiedzieć, że większość tych sposo−
bów jest tak obrzydliwie powikłana, że
skutecznie odbiera chęć do zajmowania
się tą sprawą. Dlatego nie dziwię się, że
większość elektroników zamiast takich
obliczeń podejmuje próby zbudowania
przetwornicy „po omacku”, metodą prób
i błędów. Ja chciałbym ci wykazać, że
sprawa nie jest wcale taka trudna, choć
jak już sam widzisz, w grę wchodzi wiele
czynników i ograniczeń.
cyjności pozwala w danym czasie (pamię−
taj, że założyliśmy jakąś częstotliwość
pracy przetwornicy) zgromadzić większą
ilość energii.
Jednak przy nadmiernym zwiększaniu
prądu w cewce doprowadzimy do sytua−
cji, w której wszystkie elementarne mag−
nesiki rdzenia ustawią się zgodnie w jed−
nym kierunku, wyznaczonym przez pole
wytworzone przez płynący prąd. Dalsze
zwiększanie prądu jest bez sensu, bo ni−
czego nie zmienia w rdzeniu, w każdym
razie nie zwiększa ilości magazynowanej
energii.
Jeśli zrozumiałeś sens omawianych
ograniczeń i znalazłeś jasną odpowiedź
gdzie i dlaczego gromadzi się energia, to
już wkrótce będziesz potrafił dobrać cew−
kę do przetwornicy czy zasilacza impulso−
wego. Celowo piszę – dobrać, a nie obli−
czyć. Wstrzymaj się jeszcze z bólami. Za−
nim przejdziemy do praktyki, wcześniej
spróbuję ci wyjaśnić bardzo ważną spra−
wę. Chodzi o związek indukcyjności
z liczbą zwojów, materiałem oraz wymia−
rami rdzenia.
Nie będę cię namawiał do tasiemco−
wych obliczeń. No może... Parę wzorów
na wszelki wypadek nie zaszkodzi.
Mógłbym ci w zasadzie już teraz po−
dać kilka prostych wzorów na obliczanie
przetwornic, ale wtedy nie przeczytałbyś
materiału jeszcze głębiej wchodzącego
w temat obliczania cewek.
Nie mogę ci tego odpuścić. To też jest
ważna sprawa, którą musisz zrozumieć.
Dlatego najpierw zabierzemy się za
sprawę przetwornic „od kuchni” i jestem
pewny, że uda się nam, albo wyjaśnić, al−
bo ominąć problem natężenia pola H, in−
dukcji magnetycznej B, przenikalności
µ
0

r
, µ, strumienia, .... i innych straszy−
deł, które śnią się po nocach uczniom
wkuwającym te tematy.
Mam nadzieję, że stopniowo zrozu−
miesz sedno sprawy i to pomoże ci budo−
wać przetwornice impulsowe, ze świado−
mością tego, co robisz.
A więc do następnego listu!
Piiotr Góreckii
Powtórka
Czy rozumiesz sprawę „wąskiego gar−
dła butelki”? Czy wyczuwasz intuicyjnie
zależności występujące między podany−
mi wielkościami?
Skoncentruj się.
Przede wszystkim już na początku na−
szych rozważań doszliśmy do wniosku,
że budując przetwornicę o określonej
mocy mamy do wyboru dwie drogi:
1. albo zwiększać indukcyjność i praco−
wać przy małych częstotliwościach,
2. albo zmniejszać indukcyjność i zwięk−
szać częstotliwość.
Pierwsza droga nie jest zachęcająca,
bo trzeba wtedy stosować cewkę, gro−
madzącą jednorazowo znaczną ilość
energii, a to nieuchronnie oznacza duże
wymiary tej cewki.
Druga droga jest bardziej obiecująca,
bo można stosować cewkę o mniejszych
wymiarach, a to przy obecnych trendach
jest jak najbardziej pożądane. Przy dużych
częstotliwościach występuje jednak sze−
reg trudności:
– znaczne straty w tranzystorach przełą−
czających
– znaczne straty wynikające z przebiegu−
nowania rdzenia (tarcie magnesików)
– straty z prądów wirowych
i w konsekwencji nie można pracować
przy zbyt wysokich częstotliwościach, bo
taka przetwornica będzie się bardzo na−
grzewać, i tym samym jej sprawność bę−
dzie mała. Czyli nie możemy też przesa−
dzić ze zmniejszaniem indukcyjności
i zmniejszaniem wymiarów rdzenia.
W tym liście zasygnalizowałem ci, że
zastosowanie cewki o mniejszej induk−
72
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 11/97
[ Pobierz całość w formacie PDF ]