Orbis pictus 21. století

Tato prezentace byla vytvořena v rámci projektu Orbis pictus 21. století

Orbis pictus 21. století Cívky a transformátory Obor: ElektrikářRočník: 1.Vypracoval:Ing. Ivana Jakubová OB21-OP-EL-ZEL-JAK-U-1-009 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

Obsah prezentace: • Co je to cívka • Ideální a reálná cívka • Katalogové údaje • Příklady konstrukčního provedení • Transformátory

Cívka • Cívka (induktor, tlumivka) patří k základním pasivním součástkám elektrických obvodů. Jejím hlavním parametrem je vlastníindukčnost L. • Vlastní indukčnost cívky L je definována jako poměr magnetického toku Φ a elektrického proudu I, který ho působí:Φ= L·I • Jednotka vlastní indukčnosti: henry H1mH (milihenry) = 10-3 H1μH (mikrohenry) = 10-6 H • Základní schematická značka vzduchové cívky a cívky s jádrem:

Magnetický tok, proud a indukované napětí na cívce • Pro ujasnění vztahů mezi fyzikálními veličinami a jejich jednotkami je vhodné si uvědomit souvislost změn magnetického toku s indu-kovaným elektrickým napětím. Indukované elektrické napětí je dáno změnou magnetického indukčního toku ΔΦ za časový interval Δt a svými účinky působí proti změně, která ho vyvolala:Ui = -ΔΦ/Δt[volt; weber, sekunda] • Φ= L·I [weber = henry ·ampér]Ui= -L·(ΔI / Δt)[volt = henry ·ampér/ sekunda] • Impedance cívky je frekvenčně závislá a u ideálního induktoru čistě imaginární, s nulovou reálnou složkou: XL=j2πfL • Cívka je setrvačný, akumulační prvek. Akumuluje energii magnetického pole. Proud a napětí na cívce nejsou ve fázi (napětí předbíhá proud, u ideální cívky o 90°).

Ideální a reálná cívka • Ideální cívka (např. v ideovém schématu nějakého zapo-jení) je plně popsána svou vlastní indukčností, která je konstantní. • Reálná cívka má kromě vlastní indukčnosti ještě řadu dalších důležitých vlastností elektrických (např. odpor, činitel jakosti, …) i jiných (materiál a tvar jádra, rozměry, uspořádání vývodů apod.).U vyráběných cívek mohou být základní nejdůležitější parametry vyznačeny (např. písmenným nebo barevným kódem) přímo na výrobku, další jsou uvedeny v katalogu prodejce. Nejpodrobnější informace nalezneme v doku-mentaci výrobce.

Konstrukce cívek • Reálná cívka je tvořena závity vodiče (s co nejnižším odporem, aby nevznikaly velké ztráty, většinou měď) tvarově upravených tak, aby cívka měla co největší vlastní indukčnost. Závity bývají často navi-nuty na izolační nosné kostře, ale mohou být i samonosné. Pokud jsou závity navinuty ve více vrstvách, používá se křížové vinutí, aby se omezila kapacita mezi vrstvami. • Vložením jádra z feromagnetické látky se vlastní indukčnost cívky oproti vzduchovému jádru zvýší μr-krát Jádro bývá z měkké oceli nebo feritu. Materiál a tvar jádra podstatně ovlivňují vlastní induk-čnost cívky. Některé konstrukční úpravy jádra (např. železové jádro z částeček železa v izolační hmotě, skládání jádra z jednotlivých plechů proložených izolační vrstvou u transformátorů) mají omezit především vířivé proudy, které by způsobovaly ztráty.

Druhy cívek • Cívky lze dělit podle mnoha hledisek, např.: • podle funkce v elektrickém obvodu, • podle frekvence (nízkofrekvenční-vysokofrekvenční), • podle tvaru (např. solenoidy – velmi dlouhé cívky, toroid – ve tvaru uzavřeného prstence), • podle jádra (vzduchové, s feritovým jádrem, ..), • podle druhu montáže (pájením, povrchová montáž) apod. • Tato prezentace se zaměřuje především na cívky jako samostatný prvek elektrických obvodů. Uvědomte si však, že cívky tvoří podstatnou funkční součást mnoha dalších zařízení (vinutí motorů, relé, reproduktor, vychylovací cívky v CRT obrazovkách, hlavy pevných disků, ústrojí ručkových měřicích přístrojů apod.)

Katalogové údaje cívek • jmenovitá (nominální) indukčnost • tolerance (v % jmenovité hodnoty) • stejnosměrný odpor • činitel jakosti Q (při určité frekvenci) • změny indukčnosti (s frekvencí, proudem,…) • vlastní rezonanční frekvence • maximální přípustný proud • maximální výkonové zatížení • rozsah pracovních teplot • materiál, tvar a rozměry jádra • geometrické rozměry, případně další parametry

Jmenovitá hodnota a tolerance • Jmenovitá hodnota indukčnosti je uvedena na cívce (nebo v katalogu). • Tolerance t je povolená odchylka skutečné vlastní indukč-nostiLs cívky od jmenovité hodnoty L vyjádřená v % jmenovité hodnoty:t = 100∙ (Ls – L)/LU cívek velmi malých indukčností se výrobní nepřesnost udává přímo v jednotkách indukčnosti (např. ±0,5nH). • Je dobré si uvědomit, že u mnoha cívek může být jejich indukčnost ovlivněna také vazbou s dalšími cívkami v okolí. Někdy výrobce přímo uvádí přípustný minimální odstup cívek.

Činitel jakosti cívky • Na rozdíl od rezistoru či kapacitoru cívku nelze téměř nikdy nahradit pouze ideálním induktorem, ale většinou spíše sériovou kombinací ideálního induktoru a rezistoru, který zahrnuje veškeré ztráty ve vinutí i případném jádru. „Neideální“ charakter cívky vyjadřuje její činitel jakosti jako poměr induktance a odporu na určitém kmitočtu Q = ωL/R • V katalogu se uvádí minimální zaručená hodnota pro určitý kmitočet a případně v grafu závislost činitele jakosti na frekvenci. Tato závislost je výrazně nelineární, protože spolu s frekvencí se mění i odpor, který v uve-deném vztahu popisuje všechny mechanismy ztrát – např. vliv skinefektu ve vodičích, ztráty vířivými proudy v jádře atd. Také indukčnost poněkud závisí na frekvenci. Příklad z dokumentace výrobce:

Několik příkladů komerčně dostupných cívek a jejich komponent • U cívek se setkáváme s mimořádně rozmanitými požadavky. Některé druhy cívek jsou komerčně dostupné (např. různé druhy vf cívek, miniaturní cívky, cívky pro SMD, velké dekompenzační cívky atd.), ale vedle toho lze zakoupit i konstrukční díly, zejména jádra, kostry, kryty apod., z nichž lze cívky potřebných parametrů případně navinout.

Další příklady komerčně dostupných cívek • radiální • axiální • toroidní • pro SMD

Transformátory • jsou tvořeny vinutím (nejčastěji dvěma, ale může být i jedno s odbočkou, nebo tři i více) na společném magnetickém jádru. • Princip transformátoru (převzato z wikipedie): • Magnetický tok Φvytvořený v jádru proudem Ip tekoucím primárním vinutím se jádrem přenese na sekundár, kde změny Φ v sekundárním vinutí indu-kují sekundární napětí takové, že pro ideální transformátor platí: Us/Up = Ns/Np = Ip/Is • Výkon se u ideálního trans-formátoru transformací nemění Pp =Ps

Reálný transformátor • vykazuje samozřejmě ztráty, které jsou různými konstrukčními úpravami udržovány co nejnižší. Jde o ztráty dvojího druhu: • Ztráty ve vinutí jsou způsobeny zejména konečnou vodivostí vinutí, tedy Jouleovými ztrátami na ohmickém odporu vinutí. Vinutí bývá obvykle z kovů o vysoké vodivosti (většinou z mědi: proto se hovoří o „ztrátách v mědi“). • Ztráty v magnetickém obvodu („v železe“) zahrnují zejména ztráty magnetizační a ztráty vířivými proudy, které vznikají indukcí v materiálu jádra. Aby byly tyto ztráty co nejnižší, skládají se jádra z navzájem izolovaných transformátorových plechů se zvýšeným obsahem křemíku (4%). • Účinnost transformátoru snižuje také rozptyl magnetického toku na vzduchových mezerách jádra, které jsou vytvořeny z technologic-kých i jiných důvodů (linearizace magnetického obvodu, nepře-sycování jader).

Jádro transformátoru • Tvary transformátorových jader a plechů se označují podle podobnosti s tiskacími písmeny. • EI – úsporný, vysekávání bez odpadu, nejčastěji využívaný pro síťové transformátory a tlumivky, • EE – využívá se pro miniaturní transformátory, • M – využívá se převážně pro výrobu tlumivek, • LL, UI – využívají se pro konstrukci plochých transformátorů, • toroid, C – mají podobný způsob výroby, vyrábějí se ze svinutého transformátorového plechu a umožňují podstatně zvýšit přenášený výkon.

Transformátor a autotransformátor • V transformátoru jsou primární a sekundární vinutí vzájemně galva-nicky oddělena. V některých případech je právě tato skutečnost hlavním důvodem, proč se transformátor používá (oddělovací trans-formátor, napájení hraček, přístrojů ve zdravotnictví, v domác-nostech, …). • Je-li transformátor tvořen jediným vinutím s odbočkou, transformace samozřejmě probíhá, ale z aplikačního hlediska je třeba mít na pa-měti, že primární a sekundární obvod tzv. autotransformátoru nejsou galvanicky odděleny. Odbočka bývá často provedena na pohyblivém jezdci, takže lze snadno regulovat transformační poměr.

Příklady transformátorů • Účinnost velkých transformátorů v energetice může být i 99%, přesto je třeba tyto transformátory chladit (např. olejem). U malých transformátorů např. v různých nabíječkách či adaptérech spotřební elektroniky bývá účinnost nižší (kolem 80%), vzhledem k nízkým výkonům však stačí chlazení přirozeně proudícím vzduchem .

Děkuji Vám za pozornost Ing. Ivana Jakubová Střední průmyslová škola Uherský Brod, 2010 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

Orbis pictus 21. století