Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Wyszukiwarki naszych partnerów

Wyszukaj w ofercie 200 tys. produktów TME
Europejski lider sprzedaży techniki i elektroniki.
Proszę, dodaj wyjątek elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Wszystko, co chciałbyś wiedzieć o cewkach, ale boisz się zapytać

ghost666 23 Kwi 2016 18:50 6270 19
  • Wszystko, co chciałbyś wiedzieć o cewkach, ale boisz się zapytać
    W kilku poprzednich artykułach (Link, Link) omawialiśmy typowe parametry i mniej typowe zachowania kondensatorów. Oprócz nich podstawowymi elementami pasywnymi w elektronice są rezystory i cewki. Te ostatnie są dosyć często pomijane i rzadziej stosowane w elektronice, jednakże są niezwykle istotne dla wielu układów analogowych. W poniższym artykule omówimy pewne wstępne zagadnienia związane z cewkami tak, aby każdy - nawet laik - był w stanie zrozumieć podstawy aplikacji elementów tego rodzaju.

    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

    Wszystko, co chciałbyś wiedzieć o cewkach, ale boisz się zapytać


    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.

    Wszystko, co chciałbyś wiedzieć o cewkach, ale boisz się zapytać


    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.

    Wszystko, co chciałbyś wiedzieć o cewkach, ale boisz się zapytać


    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:

    3$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


    Fajne!
  • #3 23 Kwi 2016 22:13
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    Tremolo napisał:
    Wysłałem drobne poprawki. Ale fajnie sobie przypomnieć :)


    Poprawki zawsze mile widziane :D. W najbliższym czasie jest duża szansa na ukazywanie się większej ilości takich tekstów mówiących o podstawach podstaw.

  • #5 23 Kwi 2016 23:34
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    a_noob napisał:
    Muszę przyznać że ghost jak zwykle odwali dobrą lekturę, jednak w dalszym ciągu czekamy na dwa "obiecane" tematy w taśmie klejącej ;)


    Dzięki :D, a o taśmie klejącej zupełnie zapomniałem - nadrobię!

  • #6 25 Kwi 2016 04:51
    Tremolo
    Poziom 43  

    Swoją drogą powrót do podstaw. Mówił mi ksiądz, mówił profesor

    Repetitio est matter studiorum. Powtarzanie jest matką wiedzy.

    Nie działa to w przypadku odgrzebywanych sucharów w stylu:
    "Ma się ruszać WD40, nie ma się ruszać taśma klejąca."

  • #7 25 Kwi 2016 09:39
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    Tremolo napisał:
    "Ma się ruszać WD40, nie ma się ruszać taśma klejąca."


    Na elektrony, kurde, nie chce to działać ;). Ale na cewki już tak - dobrze jest je, po dostrojeniu, przykleić czymś. I nie tylko cewki, bo nie one jedne mikrofonują, kondensatory też - https://www.elektroda.pl/rtvforum/viewtopic.php?p=15426331#15426331 :).

  • #8 25 Kwi 2016 21:05
    naciamen
    Poziom 15  

    Tak więc nie boję się zapytać.

    W jaki sposób mógłbym zwiększyć zasięg breloczków RFID? Wystarczy zwiększyć powierzchnie cewki w odbiorniku a następnie ją dostroić na odpowiednią częstotliwość? chodzi mi o zasięg około 0,25 do 0,5 metra.

  • #9 26 Kwi 2016 08:00
    marek_ka
    Poziom 26  

    ghost666 napisał:
    definicja Henra opisuje tą jednostkę jako generację SEM równego 1 V w przewodniku o długości 1 m, gdy zmiana prądu przez niego płynącego równa jest 1 A/s.

    Jak już kolega podjął się tego tematu, to wypadałoby samemu sprawdzić dokładnie.
    Np. tu: https://pl.wikipedia.org/wiki/Henr

  • #10 26 Kwi 2016 17:20
    naciamen
    Poziom 15  

    Tak więc byłby ktoś w stanie konkretnie wytłumaczyć co należy zrobić aby taki zasięg uzyskać?

  • #11 26 Kwi 2016 22:11
    marek_ka
    Poziom 26  

    Zasięg RFID zależy od nadajnika, a nie od pastylki.

  • #12 26 Kwi 2016 23:13
    naciamen
    Poziom 15  

    Bardziej bym powiedział odbiornika a pastylka robi za nadajnik. Jednak to z niej są odczytywane dane a nie nadawane.

  • #13 27 Kwi 2016 08:41
    marek_ka
    Poziom 26  

    Kol. ghost666, popraw w końcu tę definicję Henra.

    Kol. naciamen jak wiesz lepiej to po co pytasz.
    Dowiedz się jak działa RFID i nie będziesz zadawał głupich pytań.
    Do zwiększenia zasięgu potrzebny jest silniejszy sygnał wzbudzający pastylkę i jest on wyłącznie zależny od nadajnika w urządzeniu, a nie w pastylce.

  • #14 27 Kwi 2016 08:51
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    marek_ka napisał:
    Kol. ghost666, popraw w końcu tę definicję Henra.


    To może kolega lepiej spróbuje przetłumaczyć zdanie:

    The inductance of an electric circuit is one henry when an electric current that is changing at one ampere per second results in an electromotive force of one volt across the inductor

  • #15 27 Kwi 2016 17:14
    Tremolo
    Poziom 43  

    Wikipedia raczej nie jest bezpiecznym miejscem do pojmowania wiedzy. Mogę sobie wejść tam i swoim językiem opisać każde zjawisko. Niektóre rzeczy pójdą w świat bez moderacji albo z błedami. A dzieci przepiszą do zeszycików.

    Indukcyjność w obwodzie elektrycznym wynosi 1H jeśli zmieniający się w ciągu jednej sekundy prąd 1A powodujewyindukowanie jednego 1V

    Obwód ma indukcyjność 1H, jeśli Przyrost lub spadek prądu o 1A w ciągu 1s powoduje wyindukowanie 1V na końcach obwodu.

    Obwód, urządzenie, cewka ma 1 H jeśli zmiana o 1A w ciągu sekundy powoduje powstanie siły elektromotorycznej 1V na końcach.

    Jest jeszcze sekcja Simple english w Wiki - bardziej przypomina to co piszę w Polskiej. A najprościej to było opisane w Układzie Jednostek SI (taka stara książka).

  • #16 27 Kwi 2016 17:41
    marek_ka
    Poziom 26  

    No to kolego przeczytaj, jak przetłumaczyłeś to zdanie, bo ja tam nie widzę

    ghost666 napisał:
    w przewodniku o długości 1 m
    .
    Jeden narzeka na wiki, drugi się obrusza, a żaden nie widzi, że we wzorze H=(Vs)/A nie ma miejsca na metry.

  • #17 29 Kwi 2016 09:47
    Tremolo
    Poziom 43  

    Wszystko, co chciałbyś wiedzieć o cewkach, ale boisz się zapytać -


    Wszystko, co chciałbyś wiedzieć o cewkach, ale boisz się zapytać
    Musiało coś przeskoczyć z definicji Ampera opartej na odległości między nieskończonymi równoległymi przewodami...

  • #18 29 Kwi 2016 10:17
    ukixx
    Poziom 18  

    Co się tak tego Henra czepiliście :?: Jak komuś ciężko to zrozumieć to niech sobie przekształci wzór i będzie miał wszystko jak na stole.

    Najprościej to wytłumaczyć w ten sposób, że cewka ma 1H jeżeli po przyłożeniu do niej napięcia 1V po upływie 1s prąd będzie wynosił 1A.

    Na stronie http://schmidt-walter-schaltnetzteile.de/smps_e/smps_e.html można sobie zobaczyć jak wygląda prąd w cewce w przetwornicach.

  • #19 02 Maj 2016 00:08
    tadeusz12345
    Poziom 16  

    Artykuł fajny ale strasznie krótki i ogólnikowy.

    Mogło by być coś więcej o opisanych indukcyjnościach.

    Np.:
    Ze występują w nich straty związane z histerezą, prądami wirowymi.
    Jakie rdzenie do czego się stosuje.
    Czemu w niektórych transformatorach w.cz. stosuje się szczelinę powietrzną.
    W jaki sposób w układach radiowych energia dostaje się w "eter".
    Oprócz tego indukcyjności stosuje się w:
    -filtrach sieciowych
    -do dławików PFC
    -do filtrowania zasilania µC i nie tylko
    -specyficzny typ indukcyjności to dławik skompensowany
    -indukcyjności można wykorzystać też do kompensowania energii biernej lub tłumienia harmonicznych w sieci energetycznej

  • #20 19 Cze 2016 22:57
    Tremolo
    Poziom 43  

    Kolega ostatnio kręci cewki na dwunastogwoździowym statywie - jak takie gwiazdki, ktoś coś wie o tym więcej. Jak sie ma toroid do standardowego ułożenia uzwojeń i takich dziwnych kombinacji...

 Szukaj w ofercie
Zamknij 
Wyszukaj w ofercie 200 tys. produktów TME