Cewki i Transformatory.doc

Piotr Szczęsny 2b

Cewki i Kondensatory

1.Cewki

1a. ogólnie o cewkach

1b. symbol graficzny

1c. podział

1d. parametry

1e. budowa

1f. schemat zastępczy

2. Transformatory

2a. ogólnie o transformatorach

2b. symbol graficzny

2c. podział

2d. parametry

2e. budowa

2f. schemat zastępczy

1.Cewki

1a. ogólnie o cewkach

Cewka indukcyjna to bliska krewna kondensatora. Prędkość zmian prądu płynącego przez cewkę zależy od panującego na niej napięcia, podczas gdy prędkość zmian napięcia między okładkami kondensatora zależy od płynącego przezeń prądu.
Wielkością charakteryzującą cewkę jest tzw. indukcyjność i jest mierzona w henrach (H) lub w milihenrach (mH), mikrohenrach (uH).
Doprowadzenie do cewki napięcia stałego powoduje liniowe narastanie prądu (dla kondensatora wymuszenie przepływu prądu stałego powoduje liniowe narastanie napięcia). Prąd płynący przez cewkę o indukcyjności 1H, na której spadek napięcia jest równy 1V, narasta z prędkością 1A/s
Podobnie jak w przypadku prądu pojemnościowego, prąd płynący przez cewkę indukcyjną nie jest wprost proporcjonalny do spadku napięcia na cewce. Ponadto, przeciwnie niż dla rezystora, moc związana z przepływem prądu przez cewkę (iloczyn prądu i napięcia) nie zamienia się w ciepło, lecz jest magazynowana jako energia pola magnetycznego wytwarzanego przez cewkę. Całą tę energię otrzymuje się z powrotem, gdy przerwie się przepływ prądu przez cewkę.
Symbol cewki indukcyjnej przypomina spiralę z drutu. Wzięło się to stąd, że w swej najprostszej postaci cewka nie jest niczym innym jak taką właśnie spiralą. Różnice między możliwymi wariantami dotyczą materiału rdzenia, na którym nawija się cewkę. Najbardziej popularne bywa żelazo (lub stopy żelaza w postaci warstw lub proszków) i ferryt - czarny, nieprzewodzący, kruchy materiał magnetyczny. Zastosowanie rdzenia jest sposobem na zwielokrotnienie indukcyjności cewki bezrdzeniowej stosownie do "przenikalności" materiału rdzenia. Rdzeń może mieć postać pręta, toroidu lub przybierać kształty jeszcze bardziej dziwaczne, takie jak rdzeń kubkowy (który trzeba zobaczyć, aby zrozumieć jego opis; najlepszym porównaniem jest przecięta na pół foremka do pączka wiedeńskiego, gdyby pączki te wypiekano w foremkach.
Cewki indukcyjne znalazły duże zastosowanie w układach częstotliwości radiowej, służąc jako "dławiki" wielkiej częstotliwości oraz jako części obwodów strojonych. Para silnie sprzężonych cewek tworzy interesujący przyrząd nazywany transformatorem.

1b. symbol graficzny

Symbole ogólne cewek:

1c. podział

Cewki dzielimy ze względu na:

a) to z jakiego materiału jest wykonany rdzeń:

·                                  cewki indukcyjne bezrdzeniowe (powietrzne) - wówczas magnetoprzewodem dla strumienia magnetycznego wzbudzonego jest powietrze;

·                      cewki indukcyjne rdzeniowe o magnetowodzie z materiału ferromagnetycznego (otwartym lub zamkniętym). Użycie rdzenia ferromagnetycznego powoduje zwiększenie indukcyjności własnej, a w cewkach sprzężonych magnetycznie - zwiększenie indukcyjności wzajemnej;

b) ze względu na budowę:

·                      cylindryczne (solenoidalne);

·                      płaskie;

·                      toroidalne;

·                      o przekroju kołowym;

·                      o przekroju wieloboku;

·                      cewki wykonane techniką cienkowarstwową;

W rzeczywistej cewce indukcyjnej, oprócz indukcyjności, Uwzględnia się parametry resztkowe: rezystancję lub konduktancję Uzwojenia (reprezentujące straty w przewodach doprowadzających, straty w dielektryku) oraz zastępczą pojemność międzyzwojową.

1d. parametry

·        Indukcyjność (L): znamionowa - jest to indukcyjność (wyrażona w Henrach) określona przez producenta i podana na oznaczeniu cewki; rzeczywista – dokładna indukcyjność, jaką posiada cewka.

Wartości indukcyjności znamionowej są znormalizowane i tworzą ciągi liczb nazywane szeregami: E6, E12, E24 itd. Liczby 6, 12, 24 określają ilość wartości indukcji zawartych w dekadzie np. od 10 do 100 H. Z każdym szeregiem jest związana tolerancja, która umożliwia pełne pokrycie zakresu możliwych indukcyjności tzn. można wybrać dowolną wartość korzystając z większej ilości różnych cewek z jednego szeregu. Tolerancji 20% odpowiada szereg E6, 10% szereg E12, a 5% szereg E24. Każdy wyższy szereg zawiera wartość z szeregu niższego.

E6 (20%) 10, 15, 22, 33, 47, 68

E12 (10%) 10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82

E24 (5%) 10, 11, 12, 13, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 27, 30, 33, 36, 39, 43, 47, 51, 56, 62, 68, 75, 82, 91

Szeregi wyższe to 2%, 1%, 0.5% służące do oznaczenia cewek precyzyjnych. Indukcyjność zależy od długości i przekroju przewodu, geometrii stworzonej cewki oraz od przenikalności magnetycznej ośrodka otaczającego cewkę. Indukcyjność cewek może być zmieniana poprzez wprowadzenie do ich wnętrza rdzeni ze sproszkowanego żelaza. Wkręcając lub wykręcając rdzeń zwiększamy lub zmniejszamy indukcyjność cewek (w obwodzie rezonansowym mówimy wtedy o strojeniu). Zmniejszenie indukcyjności przy stałej liczbie zwojów i wymiarów cewki jest możliwe przez wprowadzenie do wnętrza rdzenia z aluminium m(<1). Takie sposoby zmiany indukcyjności cewek zostały wykorzystane w radiofonii do dostrajania obwodów rezonansowych a w zakresie UKF do płynnego przestrajania. Pojęcie indukcyjności związane jest z powstawaniem siły elektromotorycznej w zamkniętym geometrycznie obwodzie utworzonym z przewodnika. Indukcyjność cewki przeciwdziała gwałtownym zmianom prądu płynącego przez tę cewkę. Na cewce powstają przy tym skoki napięcia, których wartość może wielokrotnie przewyższać wartości napięć zasilających dany układ.

·        Tolerancja (klasa dokładności) - ponieważ ze względu na rozrzuty produkcyjne cewki nie mają indukcyjności dokładnie zgodnej ze znamionową, podaje się maksymalne dopuszczalne odchyłki. Tolerancje wyraża się w procentach wartości znamionowej.

·        Rezystancja szeregowa (RS): jest to rezystancja jaką posiada cewka przy przepływie prądu stałego.

·        Temperaturowy współczynnik indukcyjności (TWI): określa względną zmianę indukcyjności, zależną od zmian temperatury

·        Reaktancja indukcyjna (XL): jest to opór jaki posiada cewka przy przepływie prądu zmiennego. Reaktancję indukcyjną oblicza się ze wzoru: XL = wL gdzie w to iloczyn dwóch p i częstotliwości prądu.

·        Pojemność własna (CL): jest to suma wszystkich pojemności pasożytniczych i występujących między zwojami cewki. Ze względu na te pojemności każda cewka posiada maksymalną częstotliwość pracy przy której zachowuje jeszcze własności indukcyjności.

1e. budowa

Rys. 1

Ze względu na konstrukcję cewki dzielą się na:

·                    jednowarstwowe:  mogą być wykonane jako cylindryczne (solenoidalne) lub płaskie. Uzwojenia płaskie stosowane są w obwodach drukowanych. Obecnie cewki indukcyjne wykonuje się również techniką cienkowarstwową. Cewki takie mają niewielkie wartości indukcyjności własnej (2-50mH);

·                    wielowarstwowe: uzwojenia cewek nawinięte są zwój obok zwoju. Cewki wielozwojowe wielowarstwowe mają dużą pojemność elektryczną. W takich cewkach występuje duża pojemność własna. Aby zmniejszyć jej wartość stosuje się różne sposoby uzwajania lub odpowiednie konstrukcje korpusów (np. sekcjonowanie);

·                    spiralne: zwoje cewki wykonuje się w postaci kolejno powtarzających się spiral;

·                    toroidalne: zwoje nawija się na rdzeniu toroidalnym;

Ze względu na zastosowanie rdzenia:

·                    powietrzne: w cewkach tych rdzeń „wykonany jest z powietrza”, jedyną regulację indukcyjności jaką można zastosować to zbliżanie i oddalanie zwojów cewki od siebie;

·                     

Rys. 3

·                    rdzeniowe: w tych cewkach rdzeń wykonany jest materiały ferromagnetycznego. Użycie rdzenia ferromagnetycznego powoduje zwiększenie indukcyjności własnej, a w cewkach sprzężonych magnetycznie – zwiększenie indukcyjności wzajemnej. Przy rdzeniu zamkniętym to znaczy gdy strumień magnetyczny przechodzący wewnątrz uzwojenia cewki przebiega całą drogę w rdzeniu, otrzymuje się bardzo duże wartości indukcyjności. Przy rdzeniu otwartym część strumienia magnetycznego ulega rozproszeniu w powietrzu i zmiana indukcyjności nie jest duża.
 

W celu zmniejszenia niepożądanych sprzężeń między cewkami stosuje się ekranowanie magnetyczne (ekrany żelazne) i elektrostatyczne (ekrany miedziane, aluminiowe). Obecność ekranu powoduje zmniejszenie indukcyjności cewek i zwiększenie strat mocy. Przy obliczeniach wykorzystuje się specjalne wykresy, na których parametrami są odpowiednie rozmiary ekranu i cewki.

1f. schemat zastępczy

Schemat zastępczy cewki dla prądu przemiennego m. cz. przedstawia rysunek 1.. Na rysunku tym:

Rys. 2

Rs = rezystancja szeregowa wyprowadzeń i drutu, jak również straty;
Ls = indukcyjność cewki,

Schemat zastępczy cewki dla prądu przemiennego w. cz. przedstawia rysunek 2. Cechą charakterystyczną tego schematu jest obecność

Rysunek 1        Rysunek 2 

2. Transformatory

2a. ogólnie o transformatorach

Transformatory składają się z dwóch lub więcej cewek nawiniętych na wspólnym rdzeniu. Dzięki temu pole magnetyczne wytworzone przez prąd płynący w jednej z cewek, nazywanej uzwojeniem pierwotnym, oddziałowuje na cewkę drugą, zwaną uzwojeniem wtórnym, indukując w niej siłę elektromotoryczną, czyli powstaje w ten sposób napięcie. Transformatory umożliwiają obniżenie lub zwiększenie napięcia prądu zmiennego i jednocześnie zapewniają całkowite oddzielenie dwóch obwodów tego prądu. Transformatory stosuje się do wszystkich urządzeń elektronicznych zasilanych z sieci 220V, stanowiąc podstawowy element zasilaczy niskonapięciowych. Stopień zwiększania lub obniżania napięcia można określić za pomocą tzw. przekładni transformatora, która równa jest stosunkowi liczby zwojów uzwojenia pierwotnego i wtórnego. Dla przykładu, jeżeli przekładnia transformatora wynosi 5:1 to napięcie wyjściowe jest 5 razy mniejsze niż wejściowe, ale prąd czerpany z uzwojenia wtórnego będzie 5 razy większy niż prąd płynący w uzwojeniu pierwotnym. W transformatorze pomijając straty pola magnetycznego jest spełniony wzór poznany wcześniej P = U x I. Oznacza to, że moc pobierana z uzwojenia wtórnego musi być równa mocy pobieranej z uzwojenia pierwotnego. Jednym z parametrów transformatora jest właśnie moc maksymalna jak może być z niego pobierana. O ile z sieci energetycznej możesz dla przykładu pobierać 10kW to niestety za pomocą zwykłego, małego transformatora tego się nie osiągnie. Związane jest to z wielkością rdzenia i średnicą przewodów zastosowanych w poszczególnych uzwojeniach. Im większy rdzeń i średnica przewodów jest większa tym więcej mocy można uzyskać z transformatora. Nie znalazłem w żadnej książce, "w jaki sposób rozpoznać uzwojenie wtórne i pierwotne". Z praktyki stwierdziłem trochę niezbyt naukową teorię w przypadku zwykłych transformatorów stosowanych w zasilaczach niskonapięciowych: w przypadku uzwojenia pierwotnego średnica przewodu jest o wiele razy mniejsza niż w uzwojeniu wtórnym. Związane jest to z tym, że w uzwojeniu wtórnym płyną większe prądy. W przypadku, kiedy nie widzimy średnic poszczególnych zwojów możemy wyznaczyć wyprowadzenia transformatora za pomocą omomierza: uzwojenie pierwotne posiada większą rezystancję niż uzwojenie wtórne. Dziwię się, że kilka takich stwierdzeń nie ma w książkach. Jeżeli ktoś nie zapamiętał to przypominam: uzwojenie pierwotne - tutaj musi dochodzić prąd zmienny, który chcemy przetworzyć i wtórne - tutaj otrzymujemy prąd zmienny.

2b. symbol graficzny

2c. podział

Transformator sieciowy jest przykładem transformacji jednej wartości napięcia zmiennego na inną, np. 230 V na 11 V. Moc przenoszona przez transformator ulega zmniejszeniu o wartość strat. Ponieważ moc jest iloczynem wartości napięcia i natężenia prądu, więc w przykładowym transformatorze przy poborze 1 A po stronie wtórnej co najmniej 0,05 będzie przepływać po stronie pierwotnej.

Transformator jest obliczany na pewną maksymalną moc, której nie wolno przekraczać. Oznacza to, że rezystancje uzwojeń muszą być wystarczająco niskie, aby nie dawały zbyt dużych spadków napięcia. Oznacza to także, że rdzeń transformatora musi mieć wystarczającą wielkość aby nie był nasycany. Wielkość ta decyduje nie tylko o przenoszonej mocy, ale również o częstotliwości pracy. Ogólnie, im mniejsza częstotliwość przenoszona, tym większy rdzeń jest niezbędny.

Rdzeń nie może stanowić jednolitej masy, ponieważ prądy wirowe, które w takim przypadku powstają, powodują duże straty. W związku z tym używa się blach transformatorowych, które są układane w pakiet blaszek, wzajemnie od siebie odizolowanych. Są one często wycinane w formie liter E i I. Tworzą w ten sposób rdzeń EI, w którym uzwojenie umieszczone jest w środku, aby uzyskać możliwie duże pole magnetyczne.

P pewnych zastosowaniach strumień rozproszenia może być krytyczny. Dotyczy to np. wzmacniaczy Hi - Fi i urządzeń pomiarowych, w których pole indukuje przydźwięk sieci. W takich wypadkach lepszym rozwiązaniem są transformatory o rdzeniu toroidalnym, ponieważ dają one bardzo małe rozproszenie. Właściwością rdzeniu toroidalnych jest to, że prądy załączenia są większe niż w transformatorach o rdzeniu IE. Przenoszą one również, w dużo większym stopniu, zakłócenia sieciowe. Rdzenie toroidalne używane są rzadko do mocy powyżej 500 VA.

Transformatorami pełnymi nazywamy transformatory z oddzielnymi uzwojeniami pierwotnymi i wtórnymi. Posiadają one galwaniczne oddzielnie wejścia i wyjścia.

Autotransformatory mają wspólne uzwojenie pierwotne i wtórne. Dlatego ten typ transformatorów nie posiada oddzielenia galwanicznego między wejściem i wyjściem, ale może być używany zarówno do transformacji napięć w górę jak i w dół. Ze względu na "ścisłe" sprzężenie między uzwojeniami i fakt,, że uzwojenie zajmuje mniej miejsca, ten typ transformatora posiada mniejsze wymiary niż porównywalny transformator dwuuzwojeniowy.

Transformator regulacyjny jest najczęściej odmianą autotransformatora, gdzie odczep uzwojenia wtórnego jest ruchomy, tak że napięcie w tym uzwojeniu można zmieniać. Jest on bardzo praktyczny w zastosowaniach laboratoryjnych, gdzie chcemy badać jak aparatura zachowuje się przy zmiennych napięciach zasilania. Transformator regulacyjny produkowany może być również w wersji dwuuzwojeniowej, czyli jako pełny transformator.

Transformator separujący jest transformatorem dwuuzwojeniowym, którego używa się do zasilania urządzeń napięciem odizolowanym od podstawowej sieci zasilającej. W laboratoriach pomiarowych stosuje się go np. tam, gdzie nie można używać uziemionych wyjść sieciowych, ponieważ wtedy otrzyma się pętlę uziemień, które mogą mieć wpływ na wynik pomiarów Bieguny sieci mają jak wiadomo 230 V i O V w stosunku do ziemi. Uzwojenie wtórne transformatora separującego można pozostawić nieuziemione i w takim wypadku nie daje ono napięcia w stosunku do ziemi (napięcie wtórne pozostanie "pływające") To pływające napięcie zmniejsza zasadniczo ryzyko dla osób pracujących w laboratorium. Transformator może być wyposażony w ekran pomiędzy stroną pierwotną i wtórną, aby zapobiec zakłóceniom przenoszonym pojemnościowo.

Transformator bezpieczny i pośredni do celów ochronnych winny być używane, aby ograniczyć ryzyko porażenia prądem w urządzeniach elektrycznych i przedmiotach powszechnego użytku. Transformatory te muszą mieć zapewnioną izolację pomiędzy stroną pierwotną i wtórną, a także ograniczone napięcie wyjściowe, które może wynosić 12, 24, 42 i 115V w zależności od wymaganego zastosowania.

Transformatorem bezpiecznym nazywamy taki transformator, który posiada tzw. bezpieczne niskie napięcie pracy, najwyżej 50 V, transformator pośredni dla celów ochrony to taki, który dostarcza napięcia w zakresie pomiędzy 50 i 125 V.

Do zabawek powinno się używać tzw. transformatorów zabawkowych, które dają napięcie o wartości najwyżej 24 V i zapewniają bezpieczeństwo w przypadku nieostrożnej obsługi.

Transformator dzwonkowy to transformator przeznaczony do dzwonków drzwiowych i podobnych zastosowań. Może mieć on wartość prądu zwarciowego najwyżej 10 A, aby uniknąć ewentualnego uszkodzenia przewodów dzwonkowych, które mogą przenosić tylko krótkotrwałe obciążenia.

Powyższe typy transformatorów, jak również transformatory do golarek i lamp przenośnych muszą spełniać różne wymagania, które są wyspecyfikowane w międzynarodowej normie IEC 742, z wyjątkami określonymi w standardzie europejskim EN 60 74.

Transformatory małej częstotliwości (m.cz., akustyczne) spełniają zadania, które różnią się zasadniczo od zadań transformatorów sieciowych. Używa się ich przede wszystkim nie w celu transformatorowania wartości napięcia, ale do transformacji impedancji. Używane są do dopasowywania impedancji pomiędzy np. dwoma stopniami wzmacniacza lub też do dopasowania impedancji między wzmacniaczem i głośnikiem.

...