Podstawy
Jeśli rozważymy przewodnik, przez który płynie prąd, to zgodnie z prawem Oersteda płynący prąd indukować będzie pole magnetyczne wokół tego przewodnika. Jeśli teraz prąd, płynący przez przewodnik, będzie się zmieniać, to zgodnie z prawem Lenza, zmiany pola magnetycznego, spowodowane w ten sposób, przełożą się na indukowanie prądu - przeciwnego do płynącego - w przewodniku. To zjawisko w ogólności nazywamy indukcją.
Indukcyjność mierzona jest Henrach. Encyklopedyczna definicja Henra opisuje tą jednostkę jako generację SEM równego 1 V w przewodniku, gdy zmiana prądu przez niego płynącego równa jest 1 A/s. Zasadniczo, dla zastosowań w elektronice, 1 Henr to strasznie dużo, więc najczęściej spotykać będziemy się z mili-, mikro- i nawet nanohenrami, jeśli chodzi o indukcyjność typowych elementów elektronicznych.
Oczywiście, jak łatwo zgadnąć, pojedynczy przewód nie ma zbyt wielkiej możliwości generacji pola magnetycznego - aby było to możliwe, trzeba zmienić jego geometrię. Najprościej jest wydłużyć przewodnik i zwinąć go w zwój - cewkę - większość indukcyjności w elektronice jest właśnie tak skonstruowana: długi fragment przewodnika (drucik, kabel itp) owinięte są wokół rdzenia formując cewkę. Rdzeń często wykonywany jest z materiału, który wykazuje wyższą przenikalność magnetyczną niż powietrze, co przekłada się na zwiększenie indukcyjności lub możliwość skrócenia użytego przewodnika.
Z uwagi na konstrukcję elementów indukcyjnych, ich symbolem na schemacie ideowym jest cewka. Czasami stosuje się też zakolorowany prostokąt (w odróżnieniu od prostokąta pustego w środku symbolizującego opornik).
Wiemy już zatem, czym są cewki, odpowiedzmy sobie teraz na inne istotne pytanie - gdzie i po co się je stosuje. Aplikacji elementów indukcyjnych jest bardzo dużo, ale najpopularniejszymi z nich - z jakimi każdy hobbysta mógł się spotkać - jest filtrowanie zasilania, szczególnie z przetwornicy impulsowej oraz jako istotny element układów radiowych - oscylatorów i filtrów. Oczywiście zastosowania indukcyjności w elektronice nie są ograniczone do tych dwóch tylko sektorów, ale opisane powyżej przykłady pozwalają doskonale zrozumieć cel i sens stosowania elementów indukcyjnych w układach elektronicznych. Przyjrzyjmy się bliżej szeregowi aplikacji indukcyjności.
Indukcyjności w filtrach zasilaczy DC
Na pewno dużej części z czytelników zdarzyło się otwierać obudowę zasilacza impulsowego - na przykład w komputerze PC. Niezależnie, czy jest to porządny zasilacz, czy ten z czarnej listy, w środku przykuwają naszą uwagę cewki. Jest ich całkiem sporo, a te duże, wykonane z drutu w emalii rzucają się w oczy. Część z nich umieszczona jest w okolicy kabli wyprowadzających zasilanie z zasilacza do płyty głównej i innych podzespołów. Wraz z kondensatorami elektrolitycznymi pełnią one rolę filtra zasilania, którego zadaniem jest 'wygładzenie' prądu wychodzącego z zasilacza, dzięki czemu komputer zasilany jest stabilnym napięciem stałym.
Pamiętając o tym, jak działa cewka - szybkozmienny prąd powoduje zmiany pola magnetycznego, które indukuje napięcie odwrotne do tego, jakie do cewki jest przyłożone. Oznacza to, że wysokie częstotliwości nie są w stanie przepłynąć przez cewkę - są tłumione: napięcie zaindukowane w jej uzwojeniu jest odwrotne do przyłożonego napięcia zmiennego, przez co prąd nie płynie. Z kolei prąd stały nie indukuje żadnego napięcia w uzwojeniu, dzięki czemu może przez cewkę przepływać bez strat (w idealnym przypadku - realnie straty wynikają z tzw. rezystancji stało prądowej cewki - jest w końcu długim fragmentem przewodu).
Przetwornice typu buck oraz boost
Przetwornice buck oraz boost wykorzystują z kolei elementy indukcyjne do przechowywania energii w polu magnetycznym, co pozwala im w wydajny sposób przetwarzać napięcie stałe na inne.
Jeśli przepuszczać będziemy prąd przez uzwojenie cewki, przechowywać będziemy pewną energię w polu magnetycznym wyindukowanym dookoła niej. Jeśli teraz zatrzymamy nagle przepływ prądu, energia ta zostanie bardzo szybko uwolniona w postaci krótkiego impulsu o wysokim napięciu. Czasami takie zachowanie indukcyjności - na przykład w przypadku uzwojenia elektromagnesu w przekaźniku - może być problematyczne, dlatego do takich układów dodaje się często diody pozwalające odprowadzać impulsy w bezpieczny dla układu sterującego przekaźnikiem sposób. Jednakże w przypadku przetwornicy takie zachowanie jest pożądane. Impulsy wysokiego napięcia z uzwojenia w przetwornicy boost ładują kondensator, który uwalnia powoli swój ładunek w postaci napięcia wyższego niż napięcie zasilające przetwornicę. W ten sposób podnieść można napięcie z wykorzystaniem przetwornicy.
Innym zastosowaniem indukcyjności w przetwornicy jest zmniejszanie napięcia. W przetwornicy typu buck impulsy prądu generują w cewce zmienne pole magnetyczne, które zmniejsza napięcie wyjściowe z układu, a zwiększa prąd wyjściowy.
Oba powyższe przykłady są oczywiście mocno uproszczone, aby oddać jedynie sens działania samego układu. W realnej implementacji przetwornicy przełącznik zastąpiony jest np. kluczem tranzystorowym, który sterowany jest z oscylatora. Częstotliwość otwierania i zamykania klucza, a także wypełnienie impulsów sterujących tranzystorem kontrolowane są przez układ, który dostosowuje je do obciążenia przetwornicy, dzięki czemu generuje ona stabilne napięcie, niezależnie od obciążenia.
Przetwornice tego rodzaju można bardzo prosto zbudować nawet z elementów dyskretnych, ale w dzisiejszych czasach dużo prościej jest skorzystać z gotowych elementów scalonych, które w jednej obudowie zawierają najważniejsze podzespoły potrzebne do konstrukcji takiego zasilacza. W karcie katalogowej takiego kontrolera przetwornicy odnajdziemy wszystkie potrzebne informacje, pozwalające dobrać wartości elementów dyskretnych - indukcyjności, kondensatora, pętli sprzężenia zwrotnego etc. - do konstrukcji naszej przetwornicy.
Transformatory
Jeśli umieścimy przewodnik w zmiennym polu magnetycznym, zaindukuje się w nim prąd, zgodnie z wspominaną powyżej regułą Lenza. Tak działają dynama i prądnice. Zatem jeśli umieścimy cewkę w polu magnetycznym innej cewki, to prąd przepływający przez tą pierwszą zaindukuje napięcie na drugim z uzwojeń - tak skonstruowane są właśnie transformatory.
Uzwojenie, które generuje pole magnetyczne, nazywane jest pierwotnym, a to, w którym indukuje się prąd, wtórnym. Stosunek liczby zwojów pomiędzy uzwojeniami decyduje o stosunku napięć na uzwojeniach pierwotnym i wtórnym. Dzięki temu możemy w dowolny sposób zmieniać napięcie w sygnałach przemiennych. Dodatkową zaletą takich układów jest zachowanie pełnej izolacji galwanicznej - uzwojenia nie są ze sobą w żaden sposób połączone elektrycznie.
Transformatory projektowane są tak, aby pole magnetyczne uzwojenia pierwotnego możliwie najwydajniej sprzęgało się z uzwojeniem wtórym. Obie cewki nawinięte są na wspólnym rdzeniu, którego celem jest odpowiednie przenoszenie strumienia magnetycznego tak, aby z jednego uzwojenia trafiał on do drugiego bez strat czy uciekania poza transformator.
Dodatkowo, inżynierowie projektujący transformatory, brać pod uwagę muszą jeszcze inne czynniki, na przykład straty na rezystancji uzwojenia pierwotnego i wtórnego, które produkują ciepło ogrzewające rdzeń i zmieniającego jego własności magnetyczne. Dodatkowo, przy większych prądach może dojść do nasycenia rdzenia, co powoduje, że transformator nie pracuje dalej liniowo dla danej częstotliwości.
Transformatory niższych częstotliwości - takie jak stosowane są na przykład w urządzeniach zasilanych napięciem przemiennym 50/60 Hz - rdzeń wykonywany jest zazwyczaj z blaszek, które odizolowane są od siebie, co minimalizuje straty w postaci prądów zaindukowanych w samym rdzeniu. Wraz ze zwiększaniem się częstotliwości pracy transformatora rosną wymagania co do wielkości rdzenia niewchodzącego w nasycenie dla tego samego prądu. Dodatkowo zmieniają się też inne wymagania co do parametrów rdzenia, dlatego też transformatory pracujące przy wyższych częstotliwościach posiadają rdzenie z innych materiałów niż zwykłe transformatory sieciowe, na przykład ferryty (ceramiki ferromagnetyczne) popularnie wykorzystywane w transformatorach w przetwornicach i systemach RF.
Szczególnym typem transformatora jest autotransformator. Wykorzystuje się je bardzo często do podnoszenia lub zmniejszania napięcia sieciowego, aby móc używać amerykańskich (zasilanych 110 V) urządzeń w Europie, gdzie napięcie w gniazdku wynosi 230 V i odwrotnie. Nie posiada on dwóch uzwojeń, tylko jedno wyposażone w odczep, jak pokazano na rysunku poniżej.
Jeśli przyłożymy do jednej z pary wyprowadzeń prąd przemienny, zaindukuje on w pozostałej części uzwojenia napięcie proporcjonalne do stosunku uzwojeń górnej części układu do sumarycznej liczby uzwojeń. Jego działanie jest podobne jak klasycznego transformatora sieciowego, jednakże nie zapewnia on izolacji galwanicznej pomiędzy oboma parami wyprowadzeń, ale za to jest tańszy i prostszy w produkcji.
Indukcyjności w systemach radiowych
Urządzeniami, w których elementy indukcyjne pełnią najbardziej magiczną rolę są układy radiowe. Hobbyści konstruujący układy nadawcze i odbiorcze bardzo często samodzielnie wykonują swoje własne indukcyjności, a wszystko, co otacza te elementy, nadaje im trochę wymiar magii, dla osób niezaznajomionych z technikami radiowymi.
W układach radiowych projektantów interesuje najbardziej częstotliwość rezonansowa układu LC złożonego z indukcyjności i pojemności. Mówiąc prosto, układ taki to równolegle połączona cewka i kondensator. Jeśli na układ LC podawać będziemy impulsy prądu, energia będzie przepływać z kondensatora do cewki i z powrotem z charakterystyczną dla układu częstotliwością, nazywaną częstotliwością rezonansową aż do czasu, gdy zostanie ona wytracona w postaci strat np. na rezystancji uzwojenia cewki czy połączeń obu elementów. Częstotliwość ta zależna jest od pojemności kondensatora i indukcyjności cewki, wyraża ją wzór:
$$f = frac{1} {2 pi sqrt{LC}}$$
gdzie L to indukcyjność cewki, a C to pojemność kondensatora.
Strojenie takiego układu polega na zmianie wartości jednego z elementów, aż uzyskana częstotliwość rezonansowa będzie dostosowana do potrzeb w układzie. Odbywa się to poprzez wykorzystanie strojonego kondensatora - trymera - lub zmianę indukcyjności cewki. Kiedyś realizowało się to zmieniając delikatnie jej kształt, odginając uzwojenia od siebie, etc. Teraz, dzięki szerokiemu dostępowi do cewek z ruchomym rdzeniem, który można wsuwać lub wysuwać z cewki w precyzyjny sposób, strojenie układów RF jest o wiele prostsze.
Podsumowanie
Mam nadzieję, że to proste wprowadzenie w świat indukcyjności pomoże zrozumieć podstawowe zasady działania cewek i transformatorów, a także ośmieli hobbystów do sięgania po te elementy, które w wielu przypadkach mogą być nieocenione.
Aby w bezpieczny i łatwy sposób nauczyć korzystać się z indukcyjności we własnych projektach, rozpocząć można na przykład od zaprojektowania i wykonania prostej przetwornicy opartej na scalonym kontrolerze. Po uruchomieniu takiego zasilacza, co nie powinno być trudne, zważywszy na szeroką dokumentację tych układów, można spokojnie obejrzeć wszystkie przebiegi w układzie, co istotnie uprości zrozumienie jego zasady działania.
Źródło: Link
Cool? Ranking DIY
. W najbliższym czasie jest duża szansa na ukazywanie się większej ilości takich tekstów mówiących o podstawach podstaw.
Jak komuś ciężko to zrozumieć to niech sobie przekształci wzór i będzie miał wszystko jak na stole.
