Nuke - Elektro Bastlirna - Transformátory 1. díl

Ve třech článcích se seznámíte z transformátory, jak klasickými tak toroidními. V prvním díle to bude seznámení s klasickými transformátory a vysvětlení jevů, ke kterým dochází při transformaci.

Transformátory

Úvod

Historie vzniku transformátoru je úzce spjato z přeměnou napětí. Dánský fyzik Hans Christian Oersted objevil v roce 1820, že proud plynoucí přes vinutí vytváří magnetické pole. O deset let později Americký fyzik Joseph Henry objevil elektromagnetickou indukci - přeměnu magnetismu na elektřinu.
Koncem roku 1831 Michael Faraday provedl sérii zkoušek se zařízením, skládajícím se ze železného prstenu, na kterém navinul dvě vinutí izolovaným měděným drátem. K jednomu z vinutí připojil akumulátor v naději, že se na druhém vinutí naindukuje stálé napětí. Ale k jeho překvapení se i po dvoustech pokusech galvanometr připojený na vinutí B, vychýlil vždy jen při připojení nebo odpojení akumulátoru z vinutí A. Krátce po tom Francouzský konstruktér nástrojů Pixii postavil v roce 1832 ruční generátor střídavého napětí ( alternátor ), který umožnil další výzkumy v oblasti elektromagnetické indukce a nakonec podpořil vznik transformátoru.
První vynálezci, kteří přikládali střídavé napětí k indukčnostem a měřili vyvolané napětí a proudy zjistili, že vsouvá-li se do cívky železný prut, mění se i odpor cívky, který klade na železný prut. Odpor se zvedal, když z železného prutu formováno uzavřený obvod. Na velikost kladeného odporu má vliv i materiál, ze kterého je prut vyroben. Byl největší v případě měkkého železa ( malý obsah uhlíku, který nedokáže uchovat magnetizmus ). Když na železné jádro izolovaně od prvního vinutí navinuli i vinutí druhé, ukázalo se, že po přiložení napětí k prvnímu vinutí se ve druhém indukuje střídavé napětí. Když rostl počet závitů na druhém vinutí, rostlo i jeho napětí.

Jádro transformátoru

Železné jádro transformátoru ovlivňuje jeho funkci hned dvakrát. Zaprvé zvyšuje elektrický odpor vinutí v souladu z přiloženým střídavým napětím. Proud v cívce se vzduchovým jádrem je čtyřikrát výšší než z jádrem železným. Za druhé železo je feromagnetický kov z neuspořádaným magnetickým polem. Jeho indukční siločary jsou vzájemně vyváženy tak, že se na povrch nejeví jako magnet . Indukční siločary jsou ale pohyblivé a působením externího magnetického pole lze jeho magnetizmus výrazně zesílit. Toto zesílené magnetické pole vytváří i zesílenou vlastní indukčnost.

Vířivé proudy

Železné jádro transformátoru je elektricky vodivé. Jeho obvod tvoří uzavřenou smyčku a funguje jako kompaktní uzavřený závit. Indukuje se v něm napětí a teče jím proud. Můžeme si představit v tomto jádru velké množství takovýchto smyček ve kterých tečou malé proudy. Tyto proudy nazýváme vířivými a způsobují ztrátu výkonu. Projevují se zahříváním jádra během provozu transformátoru. Ztráty můžeme zmenšit složením jádra. Složením ne z litého železa, ale z tenkých ocelových plechů, které jsou vzájemně elektricky odizolované.
Elektrickou vodivost jádra můžeme navíc zmenšit přídáním malého množství křemíku k oceli. Izolace mezi vrstvami ocelových plechů se většinou skládá z jednostranné vrstvy laku široké 6 až 10µm, oboustranných vrstev fosforečnanu s tloušťkou 2 až 3µm a kysličníku 2 až 3µm. Poměr aktivní části povrchu jádra k celkovému povrchu se rovná od 0,75 ( tloušťka plechu 0,05mm) do 0,92 ( tloušťka plechu 0,5mm ).

Tabulka nejběžněji používaných navíjecích drátů

V tabulce jsou průměry několika běžně používaných navíjecích drátů.

Nasycení

Společně z růstem proudu v prvním vinutí se zvyšuje působnost pole a velikost magnentizace jádra. Nakonec jakkoli narůstá proudové zatížení, magnetizace už dál neroste. Jádro je nasyceno, vzrůstá však slabé zozptýlené pole okolo jádra. Toto rozptýlené pole může způsobovat rušení v elektronických obvodech. Kromě toho do druhého vinutí není předávaná celá energie, jelikož ne celá část pole tvořeného prvním vinutím je předána vinutí druhému.
Nejvíc o sobě rozptýlené pole dává vědět, kdy první i druhé vinutí jsou od sebe vzdáleny např. na jádru UI. Působení rozptyleného pole je menší když obě vinutí jsou blízko u sebe, na stejném rameni jádra. Úplně nejmenší bude když jsou obě vinutí navinuty na sobě, jak u většiny transformátorů.
Při projektování transformátorů nutno znát důležité vlastnostni jádra: stupeň magnetizace jádra, při kterém se ještě neobjevuje nasycení a prolínání nebo stupeň zesilování vnějšího pole. Tyto parametry určují počet závitů potřebných pro určité napětí. Čím je vyšší magnetizovatelnost, tím méně závitů bude potřebných v obou vinutích. Počet závitů záleží také od povrchu jádra a poměru tvaru transformátoru.

Vrstvy

První transformátory byly používány v energetických systémech k dodávání relativně velkých energií. U nich bylo využíváno obdelníkového jádra z dobře oddělenými vinutími ( viz. obrázek vpravo ). Taková vinutí jsou vždy dělány z drátu v bavlněné izolaci. V případě poškození každé z vinutí může být vymontováno, opraveno nebo vyměněno.
	Později se transformátory začaly používat i k napájení malých zařízení. Začaly se využívat plechové, vystřihované jádra různých tvarů. Podle tvarů se dělí na EI, M a F. Jádra EI se hodí ke konstrukci transformátorů využívající malou vzduchovou mezeru ( do 10µm ). Výstupní napětí takovýchto transformátorů záleží od zatížení, což je výhodou třeba v případě nabíječek akumulátorů, které by měli dodávat nekolísavý proud . Malá vzduchová mezera působí proti vstupnímu magnetování jádra, které by při vzrůstu střídavého proudu mohlo podlehnout nasycení.
Transformátory typu M jsou určeny ke speciálnímu využití v zařízeních, kde poměrně velké rozptýlené pole nevadí.

Zlepšení efektivity

Magnetické vlastnosti transformátorových plechů zůstaly vylepšeny výběrem vhodných materiálů a vylepšeného válcování. U plechů válcovaných za studena zrnitá struktůra materiálu zůstává ve směru magnetického toku. Zlepšuje to souběžnou magnetizovatelnost, ale ne příčnou.
	V jádrech typu MD ( obr. vlevo ) , které se objevily v 60 letech, zůstala vylepšena i příčná magnetizovatelnost. V tomto tvaru zůstal zmenšen efekt vzduchové mezery, mezerou ve směru nejmenší hustoty magnetického toku.

Tvar typu PM ( obr. vpravo ) je dalším vylepšením plechů typu M. Vylepšení spočívá v rozšíření venkovního pláště v porovnání z vnitřním, což má za následek zmenšení magnetizace ve vnějších ramenech v poměru k vnitřních. Výsledkem zesílení těchto ramen je menší magnetický odpor. Do jádra se může vejít více linií siločar což snižuje ztráty.
	Navíc směrem ukládání plechů do čtyř pozic, každá vzduchová mezera sousedí se třemi nepřerušenými vrstvami zachycující linii sil ( obr. vlevo ). Vznik rozptyleného pole je omezeno více než v jádrech typu MD. Před několika lety byl tvar plechů PM ještě zdokonalen. Prodloužením okna a optimalizací vzduchové mezery byla zvýšena výkonnost o několik procent.

Mimo standardní tvary plechů existují i tvary nestandardní (obr. vpravo ), o nichž výrobci tvrdí že vlastnosti jsou ještě lepší než u tvaru PM.

Za případné chyby v překladu se omlouvám. Jestliže na něco narazíte nechte vzkaz v komentářích.

Pokračování příště....

Originál článek od K. Schönfoff
Překlad z originálu Elektro bastlírna