plik

LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 11/97

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 rry

k 5

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−

rzetwornice impulsowe

– ogólnie

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!

Rys. 5. Ilustracja zasady działania przetwornicy impulsowej

Liis

y o

d P

Piio

LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 11/97

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:

ką

ą s

mą

ą m

c p

prrzze

ettw

orrn

niic

y m

ożże

szz

uzzy

ać

ć p

prrzzy

y m

ałłe

ejj c

czzę

ęs

stto

ottlliiw

oś

śc

cii p

prra

y,,

stto

ujją

ąc

c c

kę

ę g

grro

dzzą

ąc

cą

ą n

a rra

azz d

użżą

iillo

oś

ść

ć e

errg

giiii,, a

allb

o tte

eżż b

bę

ęd

dzziie

szz p

prra

ałł

prrzzy

y d

użże

ejj c

czzę

ęs

stto

ottlliiw

oś

śc

cii s

stto

ujją

ąc

c c

kę

grro

dzzą

ąc

cą

ą n

a rra

azz m

ałło

o e

errg

giiii..

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.

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 rry

k 6

Jeśli pamiętasz, co pisałem ci kiedyś

o kondensatorach, wiesz że t

reprezen−

tuje straty. Z kolei µ to przenikalność
magnetyczna materiału. Znów nie musisz
wszystkiego wiedzieć – pamiętaj tylko,
że iloraz t

/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.

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)

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−

Rys. 6. Współczynnik strat ferrytów w funkcji częstotliwości

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.

Piio

ottrr G

Gó

órre

kii

grra

affiik

a:: M

ałłg

orrzza

atta

a Z

kiie

wiic

czz

Liis

y o

d P

Piio

LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 11/97

Liis

y o

d P

Piio

LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 11/97

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.

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.

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:

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

Jeśli podstawimy naszą wartość

I z poprzedniego wzoru, otrzymamy:

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

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:

Prrzzy

y d

m n

piię

ęc

ciiu

u zza

siilla

niia

a ii u

stta

allo

o−

ejj c

czzę

ęs

stto

ottlliiw

oś

śc

cii p

prra

y p

prrzze

ettw

orrn

niic

y,,

miie

errn

e zzw

wiię

ęk

szza

niie

e iin

yjjn

oś

śc

cii

jje

stt s

szzk

dlliiw

e,, b

o zzm

niie

ejjs

szza

a m

c p

prrzze

o−

szzo

ną

ą p

prrzze

ezz p

prrzze

ettw

orrn

niic

cę

ę..







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.

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−

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

, µ

, 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!

Piio

ottrr G

Gó

órre

kii

Liis

y o

d P

Piio

LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 11/97