( þdv. 6 $ ý 3528' f V. f U L P. 8 d7 7 8 W , P W W

Vážení zákazníci, dovolujeme si Vás upozornit, že na tuto ukázku knihy se vztahují autorská práva, tzv. copyright. To znamená, že ukázka má sloužit výhradnì pro osobní potøebu potenciálního kupujícího (aby ètenáø vidìl, jakým zpùsobem je titul zpracován a mohl se také podle tohoto, jako jednoho z parametrù, rozhodnout, zda titul koupí èi ne). Z toho vyplývá, že není dovoleno tuto ukázku jakýmkoliv zpùsobem dále šíøit, veøejnì èi neveøejnì napø. umisováním na datová média, na jiné internetové stránky (ani prostøednictvím odkazù) apod. redakce nakladatelství BEN – technická literatura

[email protected]

A

Impulzní transformátory

19.

19. Impulzní transformátory Impulzní transformátory pøenášejí obvykle impulzy pravoúhlého tvaru jednosmìrné nebo obousmìrné polarity. Slouží k pøizpùsobení spotøebièù k tranzistorùm, elektronkám apod., nìkde ke galvanickému oddìlení èástí zaøízení, jako napø. u spínacích zdrojù nebo ke zmìnì polarity impulzù. Požadavek na pøenos nezkreslených impulzù ovlivòuje výbìr magnetických materiálù, požadavky na tvar jader impulzních transformátorù a uspoøádání vinutí. Impulzní transformátory umožòují pøenášet impulzy od šíøe asi 100 ns. Pro pøenos impulzù užších se používají transformátory založené na vlastnostech vedení. Nejvhodnìjším tvarem impulzních transformátorù jsou toroidy z feritù i kovových páskù, i když se také používají feritová hrníèková jádra. Pro pøenos malých impulzních výkonù jsou vhodné ferity, pro velké výkony kovové materiály. Pro omezení parazitních vlivù vinutí bývá jednovrstvé, takže jádra vzhledem k vinutí pùsobí obvykle robustnì. Kritérium pro odvozování rozmìrù magnetického obvodu pro transformátory velkých impulzních výkonù je dosažení co nejmenšího jejich objemu a co nejmenší rozptylové indukènosti. Prùøez magnetického obvodu bývá ètvercový. U skládaných obvodù z plechù nebo feritù, volí se jádra, která umožòují dosáhnout velký pomìr šíøky vinutí k jeho výšce. Je výhodný pomìr vìtší než 4, který pøispívá ke zmenšení èinitele rozptylu. Pro pøenášení malých a støedních impulzních výkonù do velikostí kolem 1 kW se používají vìtšinou jádra feritová. Pro vìtší výkony jádra vinutá z kovových materiálù o tloušce pásku 0,03 a 0,05 mm. Impulzní transformátor napø. se šíøí impulzù 5 µs a opakovacím kmitoètem 300 Hz, s impulzním výkonem 15 MW má toroidní jádro o rozmìrech Sj = 5 cm2, ls = 45 cm a je navinuto z kovového materiálu zn. Hipersil o tloušce pásku 0,05 mm. (Hipersil je znaèka amerického magnetického materiálu o složení Fe-Si s magnetickou texturou). Pro nejmenší výkony se používají výluènì toroidní jádra z feritové hmoty o vysoké poèáteèní permeabilit젖 vìtší než 1000 a nízké remanenci. Pro støední výkony jako napø. transformátory s jednosmìrnými impulzy pro ovládání tyristorù, kovové materiály hlavnì zn. PY65ML a jeho ekvivalentu a takové, u nichž remanence bývá jen 10 % až 20 % z magnetické indukce nasycení a dosahují velkou poèáteèní permeabilitu. Pro unipolární impulzy lze nejvýše využít zmìny magnetické indukce Bs – Br, pro bipolární impulzy zmìny Bs + Br. S feritovými jádry podle teploty jádra to bývá prakticky 100 až 250 mT popø. 200 až 400 mT (obr. 19.1), pro jádra z plechù Fe-Si s magnetickou texturou 1,2 T popø. 2,5 T. Proto jsou výhodná pro velké výkony jádra svinutá z páskù. Pro zvýšení zmìny indukce u impulzních transformátorù s pøenosem unipolárních impulzù se používá mezera v magnetickém obvodu jádra, napø. hrníèková jádra s mezerou. Pro takový úèel jsou vhodná i železoprachová kruhová jádra s permeabilitou od 125 do 550, u kterých je remanence zanedbatelná. Také se používá pøedmagnetování jádra pomocným vinutím, které je napájené 197

19.

Impulzní transformátory

A

@  7 >% D 

€

 

 

1 77

ó 







  J >ƒ&@

Obr. 19.1 Pøípustný zdvih magnetické indukce pro nìkteré feritové hmoty Siemens pro impulzní transformátory; 1 – bipolární, 2 – unipolární impulzy. @ 7  > 

€



[D P

ó

% 

D





+>$FP@



Obr. 19.2 Hysterezní smyèky pro jádro Fe-Si 0,05 mm. Doba trvání impulzù 5 µs, f = 300 Hz (toroid, mat. Hipersil); 1 – unipolární impulzy, 2 – unipolární impulzy s pøedmagnetováním jádra. ze zdroje o velkém vnitøním odporu obvykle pøes tlumivku. Pøedmagnetování pùsobí opaènì než magnetování unipolárními impulzy. Probíhaná hysterezní smyèka s pøedmagnetováním a bez pøedmagnetování pro unipolární impulzy je uvedena na obr. 19.2. Je pøevzata z (31). Hysterezní smyèky byly zjištìny na toroidním jádru z materiálu zn. Hipersil o tloušce pásku 0,05 mm pøi dobì trvání impulzù 5 µs. Tvar hysterezních smyèek pøi pravoúhlém prùbìhu napìtí na vinutí pro znaèný podíl ztrát víøivými proudy u kovových jader má znaènì odlišný tvar od smyèek snímaných staticky. U impulzních transformátorù lze využít pøevodu až do 1 : 100. Dále je pøedepsán tvar pøenášených impulzù, pøípustné zkreslení jejich tvarù, elektrické napìtí na vinutích pro volbu izolace a pøípustné oteplení. Splnìní pøípustného oteplení výkonných impulzních transformátorù je nároèným požadavkem, nebo snadnìji se dají dosáhnout požadované pøenosové vlastnosti transformátorù malých objemù relativnì s velkou ochlazovací plochou, vztaženou k objemu jádra, než transformátory s jádry objemnìjšími a tím relativnì s menší ochlazovací plochou. U feritových jader se musí mimoto uvažovat pøípustný ztrátový výkon v jádru a tím pøípustné 198

A

Impulzní transformátory

19.

využití zmìny magnetické indukce v závislosti na teplotì jádra. Cílem návrhu je urèení jádra, jeho materiálu a popis provedení vinutí, poèet závitù, prùmìr vodièù a vzájemné odizolování vinutí. Pøiložené napìtí na vinutí vyvolá vzrùst indukèního toku. K vytvoøení toku je tøeba magnetovací proud, který transformátor odebírá ze zdroje. Vzrùst indukèního toku se dìje takovou rychlostí (dB/dt), která odpovídá pøiloženému napìtí. Pro napìtí s pravoúhlým prùbìhem na cívce se stálou indukèností je vzrùst indukèního toku lineární funkcí èasu. Rychlost zmìny magnetické indukce v jádru není neomezená. Je omezena rychlostí dìjù pro pøemagnetování. Pøi zmìnì indukèního toku dochází souèasnì k transformaènímu úèinku proudu ze zdroje do zátìže a zdroj dodává rovnìž proud na vytvoøení indukèního toku a na krytí ztrát pro pøemagnetování. V primárním vinutí se zjistí souèet všech tìchto tøí složek proudu. Bude-li napìový impuls trvat déle, dosáhne indukèní tok nasycení a indukènost cívky s jádrem znaènì poklesne. Vznikne zkreslení tvaru pøenášených impulzù. Potøebný další nárùst indukèního toku pøi nasycení jádra mùže být zachován jen odpovídajícím vzrùstem magnetovacího proudu. Ten však bude omezován hlavnì vnitøním odporem zdroje. 8 W



W

W





W

Obr. 19.3 Zjištìní maximální pøípustné zmìny magnetické indukce pravoúhlými impulzy. Pøi dostateènì dlouhém napìovém pravoúhlém impulzu na vinutí s N2 závity a s jádrem o prùøezu Sj, který je periodicky generovaný zdrojem o nezanedbatelném vnitøním odporu, se na vinutí pozoruje prùbìh napìtí U2, schématicky naznaèený na obr. 19.3, který od urèité doby je znaènì zkreslen. Od této doby dochází k nasycování jádra. Pøi snížení napìtí pravoúhlých impulzù dojde k nasycování jádra pozdìji. Maximální využitelná zmìna magnetické indukce by se na základì tohoto principu mìøení zjistila výpoètem W

D%PD[ =

Ï X  GW 

16

,

19.1

M

kde t je doba, ve které znaènì pokleslo napìtí na vinutí. Tento stav, pøi kterém je jádro nasyceno je však vzdálen normální èinnosti impulzního transformátoru, u kterého nasycení nesmí nastat. 199

19.

Impulzní transformátory

(& .8 '1 , %

U

6$ ý

A

tW SD Q

32/(

þDV

3528'

Obr. 19.4 Magnetovací cyklus a prùbìh výstupního napìtí pravoúhlých impulzù jedné polarity s plnìním d =   v pøechodné a ustálené dobì. 5 8

fV fU

8

d7

W 7

8 8 W

,P

W WW

LP

W

L

L

LP

W LP

W

Obr. 19.5 Schematicky naznaèený prùbìh napìtí a proudù na impulzním transformátoru. Po skonèení impulzu magnetická indukce klesne do remanence. Následující napìový impulz zpùsobí tutéž celkovou zmìnu magnetické indukce jako impulz pøedcházející. Po nìkolika impulzech se magnetické pomìry v jádru ustálí (silnì vytažené smyèky na obr. 19.4). K tomuto ustálenému cyklu náleží prùbìh magnetovacího proudu, který je uveden na obr. 19.5. S poèínající dobou trvání napìového impulzu roste magnetovací proud nejprve prudce, pozdìji s menší strmostí, která se však s dobou pùsobení impulzu zvìtšuje. Skonèí-li napìový impulz, magnetovací proud nezaniká okamžitì. Magnetovací proud z dosažené maximální hodnoty se zmenšu200

A

Impulzní transformátory

19.

je tím, že se uzavírá pøes obvodové prvky, které mu tuto cestu umožní. S poklesem magnetovacího proudu se zmenšuje indukèní tok. Tím je vyvolána zmìna polarity napìtí na vinutí impulzního transformátoru. Vzniká pøekmit napìového impulzu do opaèné polarity. Prùbìhy napìtí na primárním vinutí, na sekundárním vinutí a prùbìh magnetovacího proudu je naznaèen na obr. 19.5. V prùbìhu magnetovacího proudu se nejprve pozoruje strmý nárùst, který pøechází do témìø rovnomìrného vzrùstu. V poèáteèním strmém nárùstu se magnetické jádro ještì nepodílí úplnì na vzniku magnetického toku. Vznikající víøivé proudy u jader z plechù odstiòují jádro tak, že tento poèáteèní indukèní tok prochází jen povrchem plechù. Na jeho vytvoøení je tøeba mnohem vìtší magnetovací proud, než pro tutéž zmìnu toku pozdìji. Vratné procesy orientace magnetických domén se poèínají uplatòovat u feritù za nìkolik desítek nanosekund, nevratné až za nìkolik set nanosekund. Rychlost zmìny magnetické indukce pro ferity mùže být nejvýše 150 až 200 mT/µs. Napø. pro 250 mT a šíøí impulzu 5 µs je zmìna magnetické indukce 50 mT/µs. Tento údaj je velmi významný, nebo pøi zmìnì pomalejší než tato hranice se uplatní všechny mikromagnetické dìje (posuny stìn, pøeskoky, stáèení) pro zmìnu magnetického stavu. Proto hodnota poèáteèní impulzní permeability je témìø totožná s hodnotou poèáteèní permeability zjištìné pøi harmonickém prùbìhu pole nebo indukce. Pøi vìtších rychlostech zmìny magnetické indukce, poèáteèní impulzní permeabilita je nižší než poèáteèní permeabilita (obr. 19.6), protože všechny dìje pro zmìnu magnetického stavu se nemohly uplatnit. Pøesnìji by se mìla uvažovat hodnota poèáteèní permeability v remanenci, jejíž hodnota je odlišná od hodnoty poèáteèní permeability. Pro technickou praxi odchylka však u feritù není významná. m

 L

m V

  

m V m V

 



  D %>P7 @ 

Obr. 19.6 Impulzní permeabilita v závislosti na dobì trvání impulzù. Feritová hmota N30, J = & f = 100 kHz. Unipolární impulzy. Vodorovnì šrafovaná plocha na obr. 19.4 znaèí energii, kterou dodal zdroj na krytí ztrát a na vytvoøení magnetického pole v jednom magnetovacím cyklu. Po skonèení napìového impulzu èást energie ve formì elektrické energie se vrací, je-li to obvodovì možné, zpìt do zdroje nebo se rozptýlí – svisle šrafovaná plocha. Zbytek energie, plocha magnetovací smyèky, kryje ztrátu v jádøe. Je-li èinitel plnìní im201

19.

Impulzní transformátory

A

pulzù d a T perioda impulzù, je velikost ztrátového výkonu vyjádøená náhradním ztrátovým odporem Rp pøi ztrátovém proudu Iw a pøi magnetování v mezích nenasycené remanence %Uë a %7  %Uë je remanence nenasycené hysterezní smyèky. %7

5 S ,: d =  9 Ï +G% 7 %

19.2

Uë

Protože magnetická energie v indukènosti vinutí, prochází-li jím proud, podle Lenzova zákona udržuje pùvodní smìr magnetovacího proudu i po zaniknutí budících napìových impulzù, uzavírá se magnetovací proud po skonèení napìového impulzu pøes zatìžovací odpor a vnitøní odpor zdroje. Zanikající magnetovací proud se projeví pøekmitem napìtí na vinutí transformátoru do opaèné polarity. Další unipolární impulz v nezmìnìném tvaru se mùže pøenášet, až když magnetovací proud dosáhne velmi malé hodnoty. Nedojde-li k tomu, bude se pracovní bod jádra posouvat a zmìní se tvar pøenášeného impulzu. To bude nastávat, bude-li se zkracovat doba periody pøi zachování šíøe impulzu. Výstupní napìtí se bude zmenšovat. Bude-li se naopak zvìtšovat šíøe pøenášených impulzù tak, že magnetovací proud neklesne na nulovou hodnotu, pracovní bod se tím bude postupnì pøesunovat k nasycení jádra a transformátor nebude schopný pøinášet impulzy vùbec. Potøebná zmìna indukèního toku pro periodické napìové impulzy v ustáleném stavu nebude k dispozici. Permeabilita materiálu jádra napø. pøi harmonickém prùbìhu magnetické indukce je definována rov. 2.27. Podobnì i pro magnetické materiály, s impulzním magnetováním je definována impulzní permeabilita µi.

m = L

D% m  D+ 

19.3

Impulzní permeabilita je definována jako pomìr maximální hodnoty zmìny magnetické indukce a k ní náležející zmìna intenzity magnetického pole pøi definovaném èasovém prùbìhu magnetické indukce (nebo èasovì definovaném prùbìhu napìtí). Pro malé zmìny magnetické indukce (jednotky mT) se definuje impulzní permeabilita poèáteèní. Impulzní permeabilita u magnetických kovových látek je znaènì závislá na šíøí impulzu, jeho amplitudì, na jeho prùbìhu a na tloušce plechu, z kterého je jádro impulzního transformátoru sestaveno. Není impulzní permeabilita materiálovou konstantou, ale konstantou vztaženou k urèité tloušce plechu, popøípadì k urèitému jádru a dobì trvání impulzu a jeho amplitudy. Plechy vìtší tloušky dosahují nižší impulzní permeability. Tato závislost je zpùsobena víøivými proudy. Zmenšením tloušky plechù se zvýší impulzní permeabilita. Pro køemíkovou ocel znaèky Silectron (výrobek anglické firmy, nᚠmateriál, pøibližnì ekvivalentních vlastností je materiál zn. Trafoker), lze impulzní permeabilitu pro rùzné šíøe unipolárního impulzu pravoúhlého prùbìhu zjistit z obr. 19.7, kde ke zmìøeným zmìnám magnetické in202

A

Impulzní transformátory %> 7 @ 

19.





 

mV mV mV  V m 

     



















  +>$FP@

Obr. 19.7 Magnetovací køivky pro rùzné šíøe impulzù. Materiál Fe-Si s magnetickou texturou (tlouška 0,05 mm). Bipolární impulzy. dukce je uvedena odpovídající vrcholová hodnota intenzity magnetického pole. Porovná-li se hodnota impulzní permeability feritù z katalogù výrobcù feritových hmot pozná se, že hodnoty zjištìné pro doby impulzù delších než 5 µs a malé zmìny indukce, je možné ztotožnit s poèáteèní permeabilitou tìchto hmot. Teprve pro doby pod 1 µs lze zjistit mìøitelné odchylky. U kovových jader, nenaleznou-li se údaje impulzní permeability pro urèitý magnetický materiál, jeho tloušku, dobu trvání impulzu a zmìnu indukce, je potom pro návrh impulzního transformátoru nutno uskuteènit vlastní mìøení. Hodnoty jsou znaènì odlišné od poèáteèní permeability. Vlastnosti související s mikromagnetickými vlastnostmi – doménovou strukturou – jsou pøekrývány silným vlivem víøivých proudù. Jsou závislé na zmìnì indukce, šíøi impulzù a odchylky jsou tím výraznìjší, èím je vyšší poèáteèní permeabilita. Požadavek pøenosu velkých výkonù vede k využívání co nejvìtší zmìny magnetické indukce. Od urèité hodnoty zmìny magnetické indukce však impulzní permeabilita klesá, nebo další vzrùst magnetické indukce se dosahuje neúmìrným vzrùstem intenzity magnetického pole. Proto se nìkdy pøi velkých rozkmitech magnetické indukce zavádí do magnetického obvodu mezera, která sníží jeho remanenci, zvýší však tím indukèní zdvih. Sníží se ale i impulzní permeabilita. Pøi vhodné velikosti mezery lze najít kompromis. Relativní délka mezery se používá pod 1 ‰. U kovových magnetických jader vlivem víøivých proudù se magnetická indukce nepøizpùsobí okamžitì intenzitì magnetického pole, která by odpovídala ustálenému stavu. Víøivé proudy, které jsou zpùsobeny zmìnou magnetické indukce, tuto zmìnu zpomalují. Postupnì, jak magnetická indukce proniká z povrchu plechu smìrem dovnitø, zvyšuje se jeho permeabilita. To je jednou z pøíèin toho, že se pøechod nábìžné hrany impulzu do jeho temene projeví aperiodickým pøekmitem. Èím menší vliv mají víøivé proudy, tím menší je tento pøekmit. Vlivem magnetického po203

19.

Impulzní transformátory

A

vrchového jevu (tím, že indukèní tok je vytlaèován smìrem k povrchu plechu) mùže dojít k pøesycení jeho povrchových vrstev. S pøesycením vzroste rozptyl indukèního toku i magnetovací proud. Vzhledem ke støední hodnotì indukce (B), která se uvažuje, dosahuje v povrchových vrstvách plechu indukce vìtší hodnotu (Bm). Tato hodnota závisí jednak na dobì trvání impulzu d 7 a na èasové konstantì víøivých proudù t Y

t =  Y

m G  r L

>

VFP FP@.

19.4

Pøevýšení magnetické indukce (y = Bm/B) v povrchových vrstvách vzhledem ke støední hodnotì indukce B, je pro rùzné hodnoty pomìru d 7  t Y uvedeno graficky na obr. 19.8. Pøi návrhu magnetického obvodu impulzních transformátorù s jádry složenými z plechu je nutné kontrolovat, aby magnetická indukce Bm nedosáhla nasycení použitého materiálu. \         



     d 7t Y

Obr. 19.8 K magnetickému povrchovému jevu. Popis vlastností impulzních transformátorù a jejich souvislost s magnetickými materiály se týká pøenosu temene impulzu, nábìžné hrany impulzu, sestupné hrany impulzu, zpìtného pøekmitu a maximálního opakovacího kmitoètu. Popis vychází z náhradního schématu impulzního transformátoru a z vlastností magnetických materiálù. Náhradní schéma impulzního transformátoru se neliší od náhradního schématu sdìlovacího transformátoru (kap. 4). Pøi konstrukci impulzních transformátorù je rovnìž snahou co nejvíce snížit parazitní vlivy a tím i impulzní transformátor co nejvíce pøiblížit ideálnímu transformátoru. Od sdìlovacích transformátorù se však impulzní transformátor znaènì liší provedením, návrhem, hlavnì však pracovním rozkmitem magnetické indukce. 204