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

Cívky a transformátory Orbis pictus 21. století Cívky a transformátory Obor: Elektrikář Ročník: 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 vlastní indukčnost 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 H 1mH (milihenry) = 10-3 H 1μH (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-nosti Ls cívky od jmenovité hodnoty L vyjádřená v % jmenovité hodnoty: t = 100∙ (Ls – L)/L U 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 Φ vytvořený 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 Střední průmyslová škola Uherský Brod, 2010 Ing. Ivana Jakubová Střední průmyslová škola Uherský Brod, 2010 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky