Elementy Indukcyjne

Transformatory
Transformator składa się w swojej najprostszej formie z żelaznego rdzenia z nawiniętymi dwoma uzwojeniami, które są ze sobą sprzężone magnetycznie. Sprzężenie oznacza, że pole magnetyczne wytworzone w jednym uzwojeniu obejmuje uzwojenie drugie. Do działania wykorzystuje on zjawisko indukcji wzajemnej. Polega ona na tym, że zmiany prądu w uzwojeniu pierwotnym (z1) wywołują zmiany pola magnetycznego (strumienia φ), które powodują indukowanie się siły elektromotorycznej samoindukcji. W uzwojeniu wtórnym (z2) indukuje się natomiast siła elektromotoryczna indukcji wzajemnej (u2). Wartości indukowanych sił są zależne od liczby zwojów poszczególnych uzwojeń oraz od szybkości zmian strumienia. Ilustruje to rysunek 6. O ile prąd w uzwojeniu pierwotnym ma kształt sinusoidy, również strumień magnetyczny (za pośrednictwem którego zostaje przeniesiona energia) w rdzeniu będzie się zmieniał według tej krzywej. Zmiany strumienia indukują w uzwojeniu wtórnym napięcie również o kształcie sinusoidy. W przypadku, gdyby strumień nie zmieniał się w czasie, to napięcie w uzwojeniu wtórnym nie mogłoby być indukowane. Inaczej mówiąc - transformator nie przenosi prądu stałego.
Z tego prostego opisu widzimy, ze transformator ma dwa zadania:
• Przeniesienie napięcia zmiennego z uzwojenia pierwotnego do wtórnego, przy jednoczesnym oddzieleniu galwanicznym strony pierwotnej od wtórnej.
• Transformacja napięcia zmiennego na napięcie o takim samym przebiegu czasowym (w czasie transformacji zmieniają się wartość prądu i napięcia, a częstotliwość i moc pozorna (w idealnym transformatorze) pozostaje bez zmian).


Najważniejsze parametry transformatorów:
• Moc znamionowa: jest najbardziej charakterystycznym parametrem transformatorów. Jest to maksymalna moc jaką można przenieść z uzwojenia pierwotnego do wtórnego. Jest ona ograniczona przede wszystkim przekrojem rdzenia oraz średnicami drutów nawojowych obu uzwojeń. Najczęściej jest ona podawana na obudowie transformatora w watach [W] lub woltamperach [VA]. Przekroczenia maksymalnej mocy przepustowej powoduje silne nagrzewanie się transformatora, a nawet jego przepalenie
• Napięcie pierwotne: to napięcie uzwojenia pierwotnego na jakie zostało ono przewidziane przez producenta. Typowo jest to 220V, lecz spotyka się również 110V, 360V i inne. Przekroczenie tego napięcia prowadzi z reguły do spalenia uzwojenia pierwotnego, przy zaniżonym napięciu transformator może pracować dowolnie długo (oczywiście zmieni się wtedy również napięcie wtórne).
• Z uzwojeniem pierwotnym związany jest również prąd jałowy transformatora. Jest to prąd jaki płynie przez uzwojenie pierwotne przy nieobciążonym transformatorze. Dla transformatorów o mocach do ~100W prąd ten jest w granicach 10-200mA.
• Napięcie wtórne: jest to napięcie, jakie możemy uzyskać w uzwojeniu wtórnym przy zasilaniu uzwojenia pierwotnego napięciem znamionowym. Podawane jest zazwyczaj napięcie przy znamionowym obciążeniu, oznacza to że transformator nieobciążony ma napięcie wtórne wyższe od danego.
• Sprawność transformatora: jest stosunkiem mocy po stronie wtórnej do mocy pobieranej przez transformator. Jest to więc parametr charakteryzujący straty jakie występują w tym elemencie. Sprawność dla transformatorów małej mocy jest rzędu 80% i rośnie z mocą transformatora, dla mocy 100W wynosi ona już ~95%.
• Ważnym parametrem jest również rodzaj rdzenia jaki posiada transformator. Aby wyeliminować wpływ pola magnetycznego wytwarzanego przez transformator, umieszcza się je często w ekranach z blachy stalowej. Rdzenie transformatorów wykonuje się z różnych materiałów, zależnie od zakresu częstotliwości w jakiej mają pracować. Przy częstotliwościach do kilku kHz stosuje się blachy ze stali krzemowej, przy wyższych częstotliwościach zastępuje się ją materiałami zwanymi ferrytami, (są to spieczone tlenki metali). Spowodowane jest to bardzo dużymi stratami na prądy wirowe w stali przy dużych częstotliwościach. Coraz częściej stosuje się rdzenia toroidalne (przy niskich i wysokich częstotliwościach) ze względu na ich zalety, bardzo małe straty oraz prawie brak pola rozproszenia.
• Przy transformatorach głośnikowych podaje się indukcyjność uzwojenia pierwotnego, od której zależy minimalna przenoszona częstotliwość, natomiast indukcyjność rozproszenia i pojemność własna mają wpływ na maksymalną częstotliwość.
• Przekładnia impedancyjna: jest to parametr charakteryzujący transformatory m. cz.
• Przekładnia zwojowa: stosunek liczby zwojów uzwojenia pierwotnego do wtórnego.
• Przekładnia napięciowa: stosunek wartości napięcia pierwotnego i wtórnego.
• Przekładnia prądowa: stosunek prądów przepływających przez uzwojenia (w stanie zwarcia lub obciążenia).
Między przekładniami: zwojową, napięciową i prądową zachodzi następująca zależność: U1/U2=I2/I1=N1/N2 gdzie: U1 – to napięcie pierwotne, U2 – to napięcie wtórne, I1 – prąd przepływający przez uzwojenie pierwotne, I2 – prąd przepływający przez uzwojenie wtórne (w stanie zwarcia lub obciążenia), N1 – liczba zwojów uzwojenia pierwotnego, N2 – liczba zwojów uzwojenia wtórnego.
Natomiast między przekładnią zwojową i impedancyjną zachodzi inna zależność: Z1/Z2=N12/N22 gdzie:Z1 – to impedancja wejściowa, Z2 – to impedancja wyjściowa, N1 i N2 – jak wyżej.

Cewki
Wszystkie typy cewek mają następujące właściwości:
• Dla prądu przemiennego cewki maleje wraz ze wzrostem częstotliwości prądu;
• Dla prądu stałego cewka przedstawia sobą tylko rezystancję;
• Z kondensatorami tworzą obwód rezonansowy.

Najważniejsze parametry cewek:
• 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 (<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 = L gdzie to iloczyn dwóch 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.
• Dobroć (Q): miara strat w cewce. Nie jest wyrażona jednostką. Dobroć można wyliczyć ze wzoru: Q = XL/RS