Cewki, dławiki, transformatory

Cewki, Dławiki, Transformatory


Cewki indukcyjne są to elementy bierne posiadające właściwość gromadzenia energii w swym polu magnetycznym. Zmiana prądu powoduje powstawanie zmiennego pola magnetycznego, które indukuje siłę elektromotoryczną. Jej wartość jest wprost proporcjonalna do szybkości zmian prądu w cewce. Miarą zdolności cewki do wytwarzania strumienia magnetycznego przy zmianach prądu jest indukcyjność.
Indukcyjność cewki cylindrycznej jednowarstwowej wyraża się wzorem:



Gdzie: L- indukcyjność cewki [H]; z- liczba zwojów cewki;  - przenikalność magnetyczna ośrodka wewnątrz cewki [H/m}; l- długość cewki [m]: S – pole przekroju poprzecznego [m2]


Jak wynika z wzoru, indukcyjność jest wprost proporcjonalna do liczby zwojów cewki. Oprócz indukcyjności cewka posiada także pojemność i rezystancję. Wynikające z budowy cewki oraz oporności drutu. Te dwie wielkości nazywane są parametrami pasożytniczymi. Im większy stosunek mocy biernej pola magnetycznego cewki do mocy traconej w rezystancji, tym lepsza jest cewka i większa jest jej dobroć. Dobroć cewki określa się jako stosunek reaktancji indukcyjnej cewki do jej rezystancji.


W schemacie zastępczym (2) rezystancja równoległa jest dla cewki idealnej równa nieskończoności, zaś dla cewki rzeczywistej jest ona równa konduktancji cewki.
W schemacie zastępczym cewki (1) rysuje się jeszcze szeregową rezystancję wynikającą z oporności drutu, z którego nawinięta jest cewka oraz równolegle pojemność, gdyż przy zwiększeniu częstotliwości pracy może najpierw wystąpić rezonans, a później zaznaczać się będzie pojemnościowy charakter cewki i zmniejszająca się reaktancja. Dlatego cewką charakteryzuje się kilkoma parametrami : indukcyjnością – L, pojemnością – C, dobrocią – Q oraz częstotliwością rezonansu własnego




Przy konstruowaniu cewek dąży się do zmniejszenia parametrów pasożytniczych, tak aby w zakresie częstotliwości pracy była spełniona nierówność


Dławik jest to cewka z rdzeniem ferromagnetycznym. Rdzeń ten posiada nieliniową charakterystykę magnesowania. Cewki te posiadają dużą indukcję własną, dzięki czemu używa się ich do tłumienia składowej zmiennej sygnału w obwodzie elektrycznym. Zwykle współpracują one z kondensatorami w filtrach dolnoprzepustowych.
Często wykorzystywane są właściwości rezonansowe cewek, wtedy częstotliwości użyteczne sięgają nieco powyżej częstotliwości rezonansu własnego cewki.
W zależności od częstotliwości pracy dławika, wyróżniamy dławiki małej i wielkiej częstotliwości.
Dławiki wykonuje się z nieco cieńszego drutu niż cewki indukcyjne (śr. Od 0,05 do 0,1mm) gdyż ich rezystancja jest bardzo ważna.


Istnieje wiele rodzajów klasyfikacji cewek. Ze względu na zastosowanie i zakresy częstotliwości rozróżnia się cewki i dławiki urządzeń nadawczych i odbiorczych zakresów długofalowych, średniofalowych i krótkofalowych i UKF. Mogą być cewki stałe i nastawne o różnej konstrukcji, nawijane drutem, taśmą, rurką, licą, trawione w obwodach drukowanych i napylane na podłożu w cienkowarstwowych układach scalonych.
Podstawowa klasyfikacja cewek przedstawiona jest na rysunku;




Rys. Podział cewek indukcyjnych ze względu na konstrukcję


Uzwojenie cewki zazwyczaj nawija się bezpośrednio na korpusie nośnym zwanym karkasem o kształcie walca lub szpuli. Spotyka się też konstrukcje samonośne. W celu zwiększenia indukcyjności w środku korpusu umieszcza się rdzeń ferromagnetyczny (>>1). 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, ale przez zmianę położenia rdzenia otwartego wewnątrz korpusu można regulować indukcyjność w nie pełnym zakresie. Zmniejszenie indukcyjności przy stałej liczbie zwojów i wymiarów cewki jest możliwe przez wprowadzenie do wnętrza rdzenia z aluminium (<1). Takie sposoby zmiany indukcyjności cewek zostały wykorzystane w radiofonii do dostrajania obwodów rezonansowych a w zakresie UKF do płynnego przestrajania.

W celu zmniejszenia niepożądanych sprzężeń między cewkami stosuje się ekranowanie magnetyczne (ekrany ferromagnetyczne) i elektrostatyczne (ekrany miedziane i 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


Rodzaje uzwojeń cewek:
a) spiralne
b) toroidalne
c) wielowarstwowe zwykłe
d) piramidalne
e)cylindryczne


Uzyskanie cewek o dużej indukcyjności i jednocześnie małych rozmiarach jest trudne. Uzwojenia cylindryczne wielowarstwowe odznaczają się dużą indukcyjnością w niewielkiej objętości. Jednak bliskość zwojów początku i końca uzwojenia cewki powoduje zwiększenie pojemności własnej i konieczność stosowania właściwej izolacji przewodników. W obwodach wielkiej częstotliwości, w których są potrzebne cewki o dużej indukcyjności i małej pojemności stosuje się uzwojenia komórkowe. Zwoje jednej warstwy krzyżują się ze zwojami warstw sąsiednich dzięki czemu otrzymuje się mniejsze pojemności własne. Z cewek wzajemnie sprzężonych konstruowane są transformatory wielkiej częstotliwości. Najsilniejsze sprzężenia uzyskuje się poprzez jednoczesne nawijanie obu uzwojeń izolowanych na rdzeniu bezpośrednio lub na korpusie nasuwanym na rdzeń . Sprzężenie słabe otrzymuje się gdy cewki są ułożone jedna nad drugą, jedna wewnątrz drugiej lub jedna obok drugiej. We wszystkich tych przypadkach można zmieniać sprzężenie przez zmianę wzajemnego położenia cewek. Do projektowania cewek używa się gotowych wykresów, za pomocą których dobiera się odpowiednie wymiary uzwojenia przy zadanej indukcyjności. Można też korzystać z wzorów przybliżonych szacowania liczby zwojów lub wymiarów cewki.
Wzór przybliżony dla cewki jednowarstwowej bez rdzenia



w którym: D – średnica uzwojenia (średnia [cm] ); l- długość uzwojenia (cm); z-z liczba zwojów


TRANSFORMATORY

Transformator jest to urządzenie służący do przenoszenia energii pomiędzy dwoma obwodami (bezstykowo) wykorzystując do tego celu sprzężenie magnetyczne dwóch lub większej ilości cewek. W transformatorze mamy do czynienia z uzwojeniem pierwotnym i wtórnym (lub kilkoma wtórnymi). Przeniesienie energii z obwodu uzwojenia pierwotnego do obciążenia znajdującego się w obwodzie wtórnym powinno się odbywać bez strat. W praktyce sprawność transformatorów małej mocy (<10 V*A) jest rzędu 70.....80%, średniej mocy (do kilkudziesięciu kilowatoamperów) i dużej mocy, tzw. Energetycznych (rzędu kilkuset kilowatoamperów) , jest 95....98%. Występuje wiele rodzajów transformatorów. Transformatory zasilające (sieciowe), których zadaniem jest zmiana napięcia i dostosowanie go do potrzeb prostownika, istnieją także transformatory małej częstotliwości, wielkiej częstotliwości i impulsowe.
Uzwojenia wtórne transformatorów mogą być odizolowane od siebie lub nie tworząc autotransformator.


Zasada działanie transformatora: prąd magnesujący zmienny płynący w uzwojeniu pierwotnym, wytwarza zmienny strumień magnetyczny. Strumień ten indukuje siły elektromotoryczne w uzwojeniach transformatora. Siły elektromotoryczne indukowane w uzwojeniach pierwotnym i wtórnym są proporcjonalne do liczby zwojów.


z-1- , z--2 – liczba zwojów uzwojenia pierwotnego i wtórnego; E-1E2 – siła elektromotoryczna uzwojeń; p – przekładnia transformatora

Wartości prądów w uzwojeniach są powiązane zależnością



Prądy płynące w uzwojeniach powodują spadki napięcia na rezystancjach i reaktancjach uzwojeń. W przypadku gdy spadki te nie są duże i straty mocy w rdzeniu transformatora niewielkie, moc wyjściowa jest prawie równa mocy wejściowej


stąd


Dal transformatora idealnego straty mocy były by zerowe a jego indukcyjność była by nieskończenie duża. W takim transformatorze prąd zasilający miałby taki sam wykres jak prąd w uzwojeniu wtórnym (indukowany)



Elementy konstrukcyjne
Zasadniczymi elementami konstrukcyjnymi transformatorów są: rdzeń (magnetowód), uzwojenia nawinięte drutem izolowanym (najczęściej miedzianym, lakierowanym), korpus z materiałów izolacyjnych (preszpan oraz tworzywa sztuczne) i części pomocnicze, takie jak np. płytki z zaciskami. Rdzenie wykonuje się z materiałów ferromagnetycznych zapewniających dużą indukcyjność, dużą przenikalność dla zmiennych pól magnetycznych i małe straty. W celu zmniejszenia strat do ferromagnetyka dodaje się krzem. Oraz odizolowywuje się od siebie blachy rdzenia. W transformatorach zasilających dla małej częstotliwości najczęściej stosuje się rdzenie z blach i taśm. W transformatorach wysokiej częstotliwości (teletransmisyjnych i transformatorach wyjściowych miniaturowych) stosuje się stopy żelazo-niklowe zwane inaczej permalojami. W transformatorach pracujących w zakresie wielkich częstotliwości i przy szybkich impulsach wykorzystywane są rdzenie z magnetycznych materiałów proszkowych (ferrytów).


Przykładowe kształty rdzeni transormatorów:


Kształtki rdzeniowe: a) rdzeń taśmowy typu C (zwijany); b) rdzeń z blach kształtkowych El; c) rdzeń z blach kształtkowych UI; d) rdzeń M; e)rdzeń ferrytowy zamknięty prostokątny; f)rdzeń pierścieniowy; g) przekrój rdzenia kubkowego

Transformatory w urządzeniach elektronicznych są często źródłem zakłóceń. Jednocześnie transformatory mogą być obiektem pól zakłócających. Z tych powodów transformatory ekranuje się podobnie jak cewki, dla ograniczenia działania pola elektrostatycznego i magnetycznego.
Ekrany elektrostatyczne są wykonane z folii miedzianej uziemionej. Ekran taki nie może być w zasadzie zamkniętym zwojem, chyba że obejmuje cały rdzeń. Ekrany magnetyczne są wykonane z materiałów o dużej przenikalności magnetycznej. Najczęściej stosuje się blachę ze stali niskowęglowej lub permaloju. Uzwojenia transformatorów nawijane są drutami miedzianymi izolowanymi. W transformatorach zasilających małej częstotliwości stosuje się uzwojenia nawijane cylindrycznie wielowarstwowo. W przypadku transformatorów wysokiego napięcia nawija się uzwojenia wąskie czasami sekcjonowane.

Transformatory wysokiego napięcia czyli te, które pracują w podstacjach i elektrowniach, umieszczane są w szczelnych obudowach i zalewane olejem transformatorowym. Olej ten bardzo dobrze odprowadza ciepło, uniemożliwiając przegrzanie takiego transformatora.