Zaloguj się
Wszystkie
27 marca 2024
1039
Przegląd transformatorów
W zeszłym miesiącu wyjaśniliśmy, że transformator składa się z dwóch lub więcej cewek lub uzwojeń znajdujących się blisko siebie, co umożliwia przesyłanie energii elektrycznej w postaci prądu przemiennego z jednego obwodu do drugiego, bez konieczności stosowania połączenia przewodzącego prąd elektryczny. Kluczowe właściwości transformatorów polegają na tym, że zapewniają one izolację galwaniczną między obwodami, mogą zmieniać poziomy napięcia i zmieniać efektywną impedancję obciążenia podłączonego za pośrednictwem transformatora.
Zależność między napięciami i prądami w transformatorze zależy od stosunku liczby zwojów między uzwojeniami wejściowym (pierwotnym) i wyjściowym (wtórnym). Napięcie wtórne jest równe napięciu pierwotnemu pomnożonemu przez stosunek zwojów strony wtórnej do pierwotnej. Prąd wtórny jest dzielony przez ten sam stosunek. W zależności od przekładni napięcie wtórne może zostać podniesione (wydajność prądowa uzwojenia wtórnego będzie mniejsza w porównaniu z prądem płynącym przez uzwojenie pierwotne) lub obniżone (wydajność prądowa uzwojenia wtórnego będzie większa w porównaniu z prądem płynącym przez uzwojenie pierwotne). Moc wejściowa i wyjściowa są równe dla idealnego transformatora, ale w rzeczywistych podzespołach występują straty i nie osiąga się 100% przeniesienia mocy. Charakter źródeł tych strat jest złożony (np. wielkość sprzężenia strumienia, właściwości materiałów i struktury rdzenia), zatem chociaż podstawowa zasada działania transformatora jako elementu obwodu jest prosta, bardzo dokładny i szczegółowy projekt, analiza i symulacja obwodu transformatora mogą stanowić wyzwanie.
W zeszłym miesiącu przyjrzeliśmy się także podstawowym symulacjom transformatorów w LTspice. Transformatory są prawdopodobnie najtrudniejszym z podstawowych elementów pasywnych stosowanych w SPICE – nie ma elementu transformatorowego – trzeba go utworzyć z wielu cewek i użyć wspólnego współczynnika indukcji, aby połączyć je ze sobą. Współczynnik sprzężenia należy umieścić w LTspice jako element tekstowy SPICE (np. K1 L1 L2 1 w celu połączenia cewek L1 i L2 z idealnym współczynnikiem sprzężenia wynoszącym 1). Wartości cewek są ustawione w taki sposób, że pierwiastek kwadratowy ich stosunku √(Lp/Ls) jest równy przekładni uzwojeń. Rzeczywistą wartość indukcyjności można uzyskać z noty katalogowej elementu, zmierzyć lub oszacować tak, aby była zgodna z prądem roboczym przy stosowanej częstotliwości.
Wiele uzwojeń
Do tej pory przyglądaliśmy się tylko transformatorom z jednym uzwojeniem pierwotnym i jednym wtórnym. Tymczasem często występuje w nich wiele uzwojeń wtórnych, a niektóre transformatory mają wiele uzwojeń pierwotnych; zazwyczaj można je przystosować do pracy w różnych warunkach poprzez wybór pierwotnego źródła – chociaż należy przy tym zachować szczególną ostrożność, szczególnie w przypadku wyższych napięć, np. napięcia sieci 230 V AC. Jak zawsze należy zapoznać się z danymi producenta. Często zdarza się, że dwa uzwojenia pierwotne lub wtórne są połączone ze sobą w ramach konstrukcji transformatora, a nie są całkowicie oddzielne. Nazywa się to „uzwojeniem z odczepem centralnym”, a połączenie środkowe to odczep środkowy. Oczywiście odczepy nie muszą być realizowane w połowie długości uzwojenia, a niektóre transformatory mają wiele odczepów.
Wiele niezależnych uzwojeń wtórnych można używać oddzielnie lub łączyć szeregowo w celu połączenia napięć wtórnych. Jeżeli są one połączone, należy wziąć pod uwagę fazę połączeń – napięcia w fazie sumują się, a napięcia w przeciwfazie odejmują. Równoległe połączenie uzwojeń wtórnych może być również możliwe, ale tylko wtedy, gdy ich napięcia są równe, a transformator został określony jako odpowiedni dla tego rodzaju konfiguracji. Nawet niewielka różnica napięcia może spowodować przepływ szkodliwie wysokich prądów w uzwojeniach wtórnych o niskim oporze uzwojeń.
Pamiętaj, że same cewki indukcyjne (tutaj L1, L2 i L3) nie tworzą transformatora, niezależnie od tego, w jaki sposób zostaną narysowane na schemacie. Również linie rdzenia pomiędzy uzwojeniami są tworzone za pomocą funkcji rysowania i mają charakter wyłącznie graficzny – nie mają wpływu na symulację. Jak wspomniano wcześniej, współczynnik sprzężenia (element K1) łączy cewki indukcyjne, tworząc transformator. Dla uproszczenia stosuje się współczynnik sprzężenia równy 1.
Zwoje, a co za tym idzie stosunek napięcia, są równe pierwiastkowi kwadratowemu stosunku indukcyjności. W tym przykładzie stosunek indukcyjności uzwojenia pierwotnego (L1) do wtórnego (L2) wynosi 10:0,1 lub 100:1, dlatego stosunek napięcia (zwojów) jest pierwiastkiem kwadratowym z tego (10:1), więc przy napięciu 120 V wejście pokazane na Out1 będzie wynosić 12 V. Podobnie Out2 (z wtórnego L3) będzie wynosić 60 V (10:2,5 = współczynnik indukcyjności 4:1, napięcie i współczynnik zwojów 2:1). Wszystkie przebiegi są w fazie, ponieważ wszystkie uzwojenia są w fazie – w tym przypadku z uziemionym końcem uzwojenia z „kropką fazową”.
W jednym obwodzie uzwojenia wtórne są połączone w fazie (z wyjściem OutA), a w drugim są one przeciwfazowe (z wyjściem OutS). Napięcia z obu uzwojeń sumują się w pierwszym przypadku – OutA wynosi 60+12=72 V, a w drugim odejmują – OutS wynosi 60–12=48 V. Kropki fazowe na schemacie pokazują fazę każdego uzwojenia. OutS jest w fazie niezgodnej z OutA, ponieważ uzwojenie 60 V jest podłączone w przeciwnej fazie do przewodów OutA. Odejmowanie napięć jest ważnym aspektem teorii transformatora, ale prawdopodobnie nie będzie zbyt często stosowane w rzeczywistych obwodach – lepiej wybrać transformator z uzwojeniem, które bezpośrednio zapewnia odpowiednie parametry elektryczne w tym oczekiwane napięcie na uzwojeniu wtórnym. Dodawanie napięć następuje w uzwojeniach z odczepem centralnym i wieloodczepowym (lub w tak połączonych oddzielnych uzwojeniach).
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
