Transformatory w elektroakustyce, część 2

Trzeba szczerze przyznać, iż we wczesnych latach, gdy rodziła się elektronika jaką znamy dzisiaj, zastosowanie transformatorów było szersze niż obecnie. Wystarczy spojrzeć na schematy wczesnych radioodbiorników czy odbiorników OTV, gdzie roiło się od indukcyjności. Obecnie, cewka i transformator uważane są za element skomplikowany, drogi i niewygodny, a równocześnie postęp technologiczny umożliwia na alternatywne sposoby realizacji funkcji, które wcześniej załatwiały różnego rodzaju transformatory, transduktory i im podobne. Wydaje się jednak, że transformatory zupełnie z użytku nie wyjdą tak szybko, o ile w ogóle kiedykolwiek to nastąpi. Nieco inaczej sytuacja wygląda w sprzęcie audio, którego to tematu dotyczy niniejsze opracowanie. W tej gałęzi elektroniki, transformatory znajdujemy już coraz rzadziej. Dlatego opracowanie bieżące dotyczy raczej rozwiązań archiwalnych. Pierwsza część omawiała zastosowanie transformatorów. Teraz skupimy się na ich niedoskonałościach. A czym bliżej przyglądamy się działaniu transformatora, tym więcej znajdziemy w nim elementów pasożytniczych. Umiejscowienie tych elementów pasożytniczych jest też sporym uproszczeniem. W rzeczywistości, przecież nie ma tam takich elementów. A nanosimy je na schemat w celu przybliżenia transformatora idealnego, jego rzeczywistego, prawdziwego odpowiednika. Znaczenie i liczba elementów pasożytniczych nie zależą wyłącznie od konstrukcji transformatora. Bardziej zależy od jego aplikacji i funkcji jaką ma w rzeczywistym obwodzie pełnić. Sprawa jest stosunkowo dobrze znana w obwodach zasilania. W sprzęcie audio jest jeszcze gorzej, a tym wąskim wycinkiem tematu chcemy się zająć w dalszej części niniejszego opracowania. Tę część artykułu też należałoby podzielić na dwie osobne. Najpierw przyjrzymy się więc transformatorowi „jako takiemu” z uwzględnieniem jego elementów pasożytniczych. Następnie omówimy funkcje jakie pełni (lub raczej pełnił) w sprzęcie audio. 

Schemat zastępczy rzeczywistego transformatora 

Schemat zastępczy transformatora rzeczywistego, to w istocie dodanie elementów pasożytniczych do transformatora idealnego. Żaden element nie jest idealny, a już w szczególności dotyczy to elementu jakim jest transformator. Transformator idealny byłby pozbawiony wszelkich strat energii w procesie przenoszenia mocy elektrycznej między uzwojeniami.

Transformator idealny cechowałby się teoretycznie płaską charakterystyką przenoszenia w nieskończonym zakresie częstotliwości, bez tłumienia i zniekształceń.

Względy strat mocy/energii są szczególnie dokuczliwe w transformatorach pracujących w obwodach zasilania. „Niedomagania” w tym zakresie mogą być mniej istotne we wzmacniaczach, przedwzmacniaczach i innych obwodach elektroniki stosowanych w sprzęcie audio. Na czoło wysuwają się zaś niedoskonałości odpowiedzi częstotliwościowej, gdyż pasmo akustyczne, jest mimo wszystko bardzo szerokie. Tam, gdzie potrzeba pasma jeszcze szerszego (czyli w sprzęcie wizyjnym) względy te niemal całkowicie eliminują zastosowanie transformatorów.

Sama zasada działania transformatora, opierająca się na fizyce prawa Faraday’a, eliminuje jego zastosowanie w obszarze prądów stałych. Wbrew pozorom, jest to często cecha korzystna dla zastosowań w sprzęcie audio. 

Przegląd elementów pasożytniczych które należy przypisać rzeczywistemu transformatorowi. Mamy tu transformator idealny, uzupełniony modelowymi elementami pasożytniczymi, które nie występują fizycznie, ale reprezentują wpływ zjawisk rzeczywistych. Idąc dalej w przybliżaniu elementu idealnego jego rzeczywistemu odpowiednikowi, należałoby być może rozbić pasożytnicze elementy dyskretne na elementy o stałych rozproszonych. W praktyce, nie ma zwykle potrzeby tak daleko idącej komplikacji.

Elementy pasożytnicze powodujące straty mocy

Na schemacie zastępczym widzimy wszystkie elementy pasywne znane elektryczności: rezystory, cewki, kondensatory i – najbardziej skomplikowany, reprezentujący indukcję wzajemną – transformator idealny. Należy podkreślić, że wszystkie elementy traktujemy jako idealne, „centralny element” idealnego transformatora jest jednym z nich. Spośród wszystkich elementów pasywnych znanych elektrotechnice, za rzeczywiste straty mocy, zawsze odpowiedzialne są rezystancje rzeczywiste. Nie inaczej jest i tutaj. Każdy rezystor odpowiedzialny jest za jakąś część strat energetycznych w procesie przenoszenia energii z uzwojenia pierwotnego na wtórne. Samo idealny transformator traktujemy jako idealnie sprzężone cewki magnetyczne. To znaczy, idealnie cały strumień magnetyczny sprzęga uzwojenie pierwotne z wtórnym, których liczbę zwojów oznaczono jako Np i Ns, co w rzeczywistym transformatorze nigdy nie jest w pełni spełnione. Przekazywanie energii jest zaś w pełni zdefiniowane prawami Faraday’a i Ampera, i aby zrozumieć poruszane tu zagadnienia, nie trzeba praktycznie znać nic więcej.

Najbardziej oczywistymi stratami mocy, są straty na rezystancjach rzeczywistych uzwojeń. To tzw. „copper losses”, czyli straty „w miedzi”. Pasożytnicze rezystory to Rp i Rs. Należy zaznaczyć, iż Rp i Rs to rezystancje DC uzwojenia, odpowiednio pierwotnego i wtórnego. Przy wyższych częstotliwościach, należałoby uwzględnić zjawisko wypychania prądu do zewnętrznej warstwy przekroju przewodnika. Zjawisko naskórkowości powoduje zmniejszenie efektywnego przekroju przewodnika dla prądu przemiennego, co wpływa na wzrost strat i wymaga uwzględnienia dodatkowej impedancji w modelu transformatora. Nawet gdy ten fakt pominiemy, to i tak, rzeczywiste rezystancje uzwojeń nie są wszystkim, co powoduje straty energii i grzanie się transformatora. W tym względzie sporo wnosi sam rdzeń, w którym krąży strumień magnetyczny, a nie prąd elektryczny. Te straty na schemacie zastępczym reprezentowane są pojedynczą skupioną rezystancją Ro. Umieszczenie jednego, „skupionego” i idealnego rezystora, który bierze na siebie wszystkie zjawiska związane z przemagnesowaniem rdzenia, jest też grubym uproszczeniem. Wchodzą bowiem w grę zjawiska dwojakiego rodzaju, charakteryzujące się też sporymi nieliniowościami. Za straty mocy i grzanie rdzenia odpowiedzialne są zarówno prądy wirowe indukowane w przewodzącym materiale rdzenia przez zmienne pole magnetyczne, jak i zjawisko przemagnesowywania tego materiału. A w grę wchodzi zarówno nieliniowość tego procesu, jak i nieodłączna histereza, która temu towarzyszy. Powierzchnia krzywej histerezy B-H, odpowiadająca jednorazowemu obiegowi po tej krzywej, to w istocie energia tracona w jednostce objętości materiału magnetycznego (czyli gęstość przestrzenna tej energii). Od konstrukcji konkretnego transformatora i warunków jego pracy zależy, czy bardziej rdzeń grzeje uzwojenia, czy odwrotnie. A sprzężenie zwrotne tego procesu poprzez temperaturę, wprowadza kolejne nieliniowości i komplikuje pracę rzeczywistego transformatora względem „nieistniejącego” ideału. „Czym dalej w las, tym więcej drzew”, ale trzeba jakoś to „ogarnąć”. I właśnie po to tworzymy schematy zastępcze. Niektóre pasożytnicze elementy w schemacie zastępczym mogą okazać się mało istotne. Inne zaś mogą być niewystarczające. Zależy to zarówno od konstrukcji danego transformatora, a jeszcze bardziej od aplikacji, czyli warunków jego pracy. Poprawne zaprojektowanie transformatora, to nie jest łatwe zadanie. Opracowano różne techniki, aby zminimalizować wpływ zjawisk pasożytniczych. I tak np. dla minimalizacji pola magnetycznego rozproszonego, które nie zamyka się przez oba uzwojenia, stosuje się rdzenie toroidalne, za cenę utrudnienia procesu nawijania uzwojeń na taki rdzeń. Energia tracona przez pola rozproszone jest w pełni realna. Tymczasem w wielu sytuacjach, to i tak najmniejsze zmartwienie związane z tym zjawiskiem (zamykania się strumienia magnetycznego poza rdzeniem).

W swoim mieszkaniu mam dzwonek z tradycyjnym tzw. transformatorkiem dzwonkowym. Rozprasza on ciągle, około 2 W mocy czynnej, zamieniając ją na ciepło. Niby niewiele, ale przez 22 lata zapłaciłem około 85 funtów za niepotrzebnie stracone 385 kWh energii elektrycznej. Niemalże tyle można by zaoszczędzić, gdybym wymienił klasyczny transformator na odpowiednik z rdzeniem toroidalnym. Zważywszy, że mój dzwonek sygnalizuje przeciętnie przez około 3 sekundy w ciągu jednej doby, jaki jest stosunek mocy wykorzystanej, do „mocy daremnej” bezpowrotnie straconej! 

Prądy wirowe

Straty energii związane z prądami wirowymi, są często nazywane „stratami w żelazie”. Nazwa ta jest uzasadniona, gdy rdzeń transformatora wykonany jest ze stopów żelaza. A fizyka zjawiska bierze się stąd, że żelazo jest oczywiście materiałem przewodzącym, o stosunkowo wysokiej konduktywności. Zmienne pole magnetyczne uzwojenia pierwotnego, indukuje prąd elektryczny nie tylko w uzwojeniu wtórnym, ale również we wszystkim „co go otacza”. A otacza go oczywiście rdzeń, w którym powinien płynąć strumień indukcji magnetycznej, a nie prąd elektryczny. Tymczasem trudno jedno od drugiego oddzielić, skoro rdzeń wykonany jest z materiału przewodzącego.

Znaleziono lekarstwo na to „pasożytnicze zjawisko”, choć lekarstwo to nie jest w stu procentach skuteczne. Pierwszą myślą jest stosowanie materiałów o niskiej przewodności właściwej. I to się sprawdza w przypadku ferrytów. W przypadku rdzeni żelazowych, skutecznym zabiegiem jest wykonanie rdzenia z cienkich blaszek odizolowanych elektrycznie od siebie. To zdecydowanie ogranicza obszary, w których prądy wirowe mogą płynąć. Skuteczność tego zabiegu jest zależna od częstotliwości z jakimi dany transformator pracuje. Czym wyższa częstotliwość, tym „blaszki transformatorowe” powinny być cieńsze. Dlatego ta technika dobrze się sprawdza w transformatorach sieciowych dla częstotliwości 50 lub 60 Hz. Produkcję blach transformatorowych skomercjalizowała firma Westinghouse.

Nieco trudniej jest zastosować tę technikę dla rdzeni toroidalnych. Technologię tę rozpowszechniono zdecydowanie później niż cięcie blach w kształtki „E” i „I”. Na przeszkodzie stało równoczesne opracowanie maszyn pozwalających na efektywne nawijanie uzwojeń drutu na karkasy transformatorów toroidalnych. Wykonanie stalowej blachy dla rdzenia toroidalnego samo w sobie niesie spore wyzwania. Domeny magnetyczne kryształów powinny być ułożone równolegle i w określonym kierunku względem strumienia magnetycznego który popłynie w tym rdzeniu. Spełnienie tego warunku pozwala uzyskać maksymalną przenikalność magnetyczną μ, co jest zwykle oczekiwane od rdzenia dla wydajnej pracy transformatora.

Adaptacja do wydania polskiego: Karol Świerc

Aby przeczytać ten artykuł kup e-wydanie

Kup teraz