Cewki indukcyjne, dławiki i transformatory: budowa, charakterystyka i zastosowania

Cewki Indukcyjne

Cewki indukcyjne są to elementy bierne posiadające właściwość gromadzenia energii w swoim polu magnetycznym. Zmiana prądu powoduje powstawanie zmiennego pola magnetycznego, które indukuje siłę elektromotoryczną. Jej wartość jest wprost proporcjonalna do szybkości zmian prądu w cewce. Miarą zdolności cewki do wytwarzania strumienia magnetycznego przy zmianach prądu jest indukcyjność.

Indukcyjność cewki cylindrycznej jednowarstwowej wyraża się wzorem:

\[
L = \frac{\mu \cdot z^2 \cdot S}{l}
\]

Gdzie:
- \( L \) – indukcyjność cewki [H],
- \( z \) – liczba zwojów cewki,
- \( \mu \) – przenikalność magnetyczna ośrodka wewnątrz cewki [H/m],
- \( l \) – długość cewki [m],
- \( S \) – pole przekroju poprzecznego [m²].

Jak wynika ze wzoru, indukcyjność jest wprost proporcjonalna do liczby zwojów cewki. Oprócz indukcyjności, cewka posiada także pojemność i rezystancję, wynikające z budowy cewki oraz oporności drutu. Te dwie wielkości nazywane są parametrami pasożytniczymi. Im większy stosunek mocy biernej pola magnetycznego cewki do mocy traconej w rezystancji, tym lepsza jest cewka i większa jest jej dobroć. Dobroć cewki określa się jako stosunek reaktancji indukcyjnej do jej rezystancji.

Schemat Zastępczy Cewki

W schemacie zastępczym cewek:

1. Cewka idealna: Rezystancja równoległa jest równa nieskończoności.
2. Cewka rzeczywista: Rezystancja równoległa odpowiada konduktancji cewki.

Dodatkowo, w schemacie zastępczym cewek uwzględnia się szeregową rezystancję wynikającą z oporności drutu oraz równolegle pojemność. Przy zwiększeniu częstotliwości pracy może najpierw wystąpić rezonans, a później zaznaczać się będzie pojemnościowy charakter cewki i zmniejszająca się reaktancja. Dlatego cewką charakteryzuje się kilkoma parametrami: indukcyjnością (\( L \)), pojemnością (\( C \)), dobrocią (\( Q \)) oraz częstotliwością rezonansu własnego.

Dławiki

Dławik jest to cewka z rdzeniem ferromagnetycznym. Rdzeń ten posiada nieliniową charakterystykę magnesowania. Cewki te posiadają dużą indukcję własną, dzięki czemu używa się ich do tłumienia składowej zmiennej sygnału w obwodzie elektrycznym. Zwykle współpracują one z kondensatorami w filtrach dolnoprzepustowych.

Często wykorzystywane są właściwości rezonansowe dławików, wtedy częstotliwości użyteczne sięgają nieco powyżej częstotliwości rezonansu własnego dławika. W zależności od częstotliwości pracy dławika wyróżnia się dławiki małej i wysokiej częstotliwości. Dławiki wykonuje się z nieco cieńszego drutu niż cewki indukcyjne (średnica od 0,05 do 0,1 mm), gdyż ich rezystancja jest bardzo ważna.

Klasyfikacja Cewk i Dławików

Istnieje wiele rodzajów klasyfikacji cewek. Ze względu na zastosowanie i zakresy częstotliwości rozróżnia się cewki i dławiki urządzeń nadawczych i odbiorczych w zakresach długofalowych, średniofalowych, krótkofalowych oraz UKF. Mogą być one:
- Stałe i nastawne,
- O różnej konstrukcji: nawijane drutem, taśmą, rurką, licą,
- Trawione w obwodach drukowanych,
- Napylane na podłożu w cienkowarstwowych układach scalonych.

Rodzaje uzwojeń cewek:
a) Spiralne
b) Toroidalne
c) Wielowarstwowe zwykłe
d) Piramidalne
e) Cylindryczne

Budowa i Indukcyjność Cewki

Uzwojenie cewki zazwyczaj nawija się bezpośrednio na korpusie nośnym zwanym karkasem o kształcie walca lub szpuli. Spotyka się też konstrukcje samonośne. W celu zwiększenia indukcyjności w środku korpusu umieszcza się rdzeń ferromagnetyczny (\( \mu \gg 1 \)). Przy rdzeniu zamkniętym, gdy strumień magnetyczny przechodzący wewnątrz uzwojenia cewki przebiega całą drogę w rdzeniu, otrzymuje się bardzo duże wartości indukcyjności. Przy rdzeniu otwartym część strumienia magnetycznego ulega rozproszeniu w powietrzu, co powoduje niewielkie zmiany indukcyjności, ale umożliwia regulację indukcyjności poprzez zmianę położenia rdzenia otwartego w korpusie. Zmniejszenie indukcyjności przy stałej liczbie zwojów i wymiarach cewki jest możliwe przez wprowadzenie do wnętrza rdzenia materiału o niskiej przenikalności magnetycznej, np. aluminium (\( \mu < 1 \)). Takie sposoby zmiany indukcyjności cewek zostały wykorzystane w radiofonii do dostrajania obwodów rezonansowych, a w zakresie UKF do płynnego przestrajania.

W celu zmniejszenia niepożądanych sprzężeń między cewkami stosuje się ekranowanie magnetyczne (ekrany ferromagnetyczne) i elektrostatyczne (ekrany miedziane i aluminiowe). Obecność ekranu powoduje zmniejszenie indukcyjności cewek i zwiększenie strat mocy. Przy obliczeniach wykorzystuje się specjalne wykresy, na których parametrami są odpowiednie rozmiary ekranu i cewki.

Uzyskanie cewek o dużej indukcyjności i jednocześnie małych rozmiarach jest trudne. Uzwojenia cylindryczne wielowarstwowe odznaczają się dużą indukcyjnością w niewielkiej objętości. Jednak bliskość zwojów na początku i końcu uzwojenia cewki powoduje zwiększenie pojemności własnej i konieczność stosowania właściwej izolacji przewodników. W obwodach wysokiej częstotliwości, w których są potrzebne cewki o dużej indukcyjności i małej pojemności, stosuje się uzwojenia komórkowe. Zwoje jednej warstwy krzyżują się ze zwojami warstw sąsiednich, dzięki czemu otrzymuje się mniejsze pojemności własne. Z cewek wzajemnie sprzężonych konstruowane są transformatory wysokiej częstotliwości. Najsilniejsze sprzężenia uzyskuje się poprzez jednoczesne nawijanie obu uzwojeń izolowanych na rdzeniu bezpośrednio lub na korpusie nasuwanym na rdzeń. Sprzężenie słabe otrzymuje się, gdy cewki są ułożone jedna nad drugą, jedna wewnątrz drugiej lub obok siebie. We wszystkich tych przypadkach można zmieniać sprzężenie przez zmianę wzajemnego położenia cewek. Do projektowania cewek używa się gotowych wykresów, za pomocą których dobiera się odpowiednie wymiary uzwojenia przy zadanej indukcyjności. Można też korzystać z wzorów przybliżonych do szacowania liczby zwojów lub wymiarów cewki.

Wzór przybliżony dla cewki jednowarstwowej bez rdzenia:

\[
z = \frac{D \cdot l}{k}
\]

Gdzie:
- \( D \) – średnica uzwojenia (średnia) [cm],
- \( l \) – długość uzwojenia [cm],
- \( z \) – liczba zwojów.

Transformatory

Transformator jest to urządzenie służące do przenoszenia energii pomiędzy dwoma lub więcej obwodami (bezstykowo) wykorzystując do tego celu sprzężenie magnetyczne cewek. W transformatorze mamy do czynienia z uzwojeniem pierwotnym i wtórnym (lub kilkoma wtórnymi). Przeniesienie energii z obwodu uzwojenia pierwotnego do obciążenia znajdującego się w obwodzie wtórnym powinno odbywać się bez strat. W praktyce sprawność transformatorów małej mocy (<10 VA) jest rzędu 70–80%, średniej mocy (do kilkudziesięciu kilowatamperów) oraz dużej mocy, tzw. energetycznych (rzędu kilkuset kilowatamperów), wynosi 95–98%. Występuje wiele rodzajów transformatorów, takich jak:
- Transformatory zasilające (sieciowe), których zadaniem jest zmiana napięcia i dostosowanie go do potrzeb prostownika,
- Transformatory małej częstotliwości,
- Transformatory wysokiej częstotliwości,
- Transformatory impulsowe.

Uzwojenia wtórne transformatorów mogą być odizolowane od siebie lub nie, tworząc autotransformator.

Zasada działania transformatora:
Prąd magnesujący zmienny płynący w uzwojeniu pierwotnym wytwarza zmienny strumień magnetyczny. Strumień ten indukuje siły elektromotoryczne w uzwojeniach transformatora. Siły elektromotoryczne indukowane w uzwojeniach pierwotnym i wtórnym są proporcjonalne do liczby zwojów.

\[
\frac{E_1}{E_2} = \frac{z_1}{z_2} = p
\]

Gdzie:
- \( z_1 \), \( z_2 \) – liczba zwojów uzwojenia pierwotnego i wtórnego,
- \( E_1 \), \( E_2 \) – siła elektromotoryczna uzwojeń,
- \( p \) – przekładnia transformatora.

Wartości prądów w uzwojeniach są powiązane zależnością:

\[
\frac{I_1}{I_2} = \frac{z_2}{z_1}
\]

Prądy płynące w uzwojeniach powodują spadki napięcia na rezystancjach i reaktancjach uzwojeń. W przypadku, gdy spadki te nie są duże i straty mocy w rdzeniu transformatora niewielkie, moc wyjściowa jest prawie równa mocy wejściowej.

Stąd dla transformatora idealnego straty mocy byłyby zerowe, a jego indukcyjność nieskończona. W takim transformatorze prąd zasilający miałby taki sam przebieg jak prąd w uzwojeniu wtórnym (indukowanym).

Elementy Konstrukcyjne Transformatora

Zasadniczymi elementami konstrukcyjnymi transformatorów są:
- Rdzeń (magnetowód): Wykonany z materiałów ferromagnetycznych zapewniających dużą indukcyjność, dużą przenikalność dla zmiennych pól magnetycznych i małe straty. W celu zmniejszenia strat do ferromagnetyka dodaje się krzem. Blachy rdzenia są odizolowane od siebie.
- Uzwojenia: Nawinięte drutem izolowanym (najczęściej miedzianym, lakierowanym).
- Korpus: Wykonany z materiałów izolacyjnych (preszpan oraz tworzywa sztuczne).
- Części pomocnicze: Takie jak płytki z zaciskami.

Rdzenie wykonuje się z różnych materiałów w zależności od zastosowania:
- Transformatory zasilające dla małej częstotliwości: Rdzenie z blach i taśm.
- Transformatory wysokiej częstotliwości (teletransmisyjne i miniaturowe): Stopy żelazo-niklowe (permaloje).
- Transformatory pracujące w zakresie wysokich częstotliwości i przy szybkich impulsach: Rdzenie z magnetycznych materiałów proszkowych (ferrytów).

Przykładowe kształty rdzeni transformatorów:
a) Rdzeń taśmowy typu C (zwijany)
b) Rdzeń z blach kształtkowych E
c) Rdzeń z blach kształtkowych UI
d) Rdzeń M
e) Rdzeń ferrytowy zamknięty prostokątny
f) Rdzeń pierścieniowy
g) Przekrój rdzenia kubkowego

Ekranowanie Transformatorów

Transformatory w urządzeniach elektronicznych są często źródłem zakłóceń i mogą być obiektem pól zakłócających. Z tych powodów transformatory ekranuje się podobnie jak cewki, aby ograniczyć działanie pola elektrostatycznego i magnetycznego.

- Ekrany elektrostatyczne: Wykonane z folii miedzianej uziemionej. Ekran taki nie może być w zasadzie zamkniętym zwojem, chyba że obejmuje cały rdzeń.
- Ekrany magnetyczne: Wykonane z materiałów o dużej przenikalności magnetycznej, najczęściej blachę ze stali niskowęglowej lub permaloju.

Uzwojenia transformatorów nawijane są drutami miedzianymi izolowanymi. W transformatorach zasilających małej częstotliwości stosuje się uzwojenia nawijane cylindrycznie wielowarstwowo. W przypadku transformatorów wysokiego napięcia nawija się uzwojenia wąskie, czasami sekcjonowane.

Transformatory Wysokiego Napięcia

Transformatory wysokiego napięcia, czyli te, które pracują w podstacjach i elektrowniach, umieszczane są w szczelnych obudowach i zalewane olejem transformatorowym. Olej ten bardzo dobrze odprowadza ciepło, uniemożliwiając przegrzanie transformatora.