Niedoskonałość elementów – Inne transformatory

W poprzednim artykule ER006 omówiliśmy główne niedoskonałości transformatorów sieciowych 50Hz, czyli ograniczoną moc oraz „miękkość”. Oprócz transformatorów sieciowych, wykorzystywane są też transformatory, przenoszące sygnały audio. Są stosowane we wzmacniaczach lampowych oraz w profesjonalnym sprzęcie audio. One też nie są doskonałe.

Transformatory audio

W niektórych zastosowaniach, na przykład w lampowych wzmacniaczach mocy audio, oprócz maksymalnej przenoszonej mocy, interesuje nas też pasmo częstotliwości, w jakim prawidłowo może pracować transformator. Małe transformatorki separujące w torze sygnałowym sprzętu audio  (przykłady na fotografii 1) przenoszą znikomą moc, ale powinny mieć szerokie pasmo przenoszenia, optymalnie 20Hz…20kHz, co nie jest łatwe do osiągnięcia. Z reguły wykorzystuje się w nich rdzenie z blach, ale nie żelazokrzemowych, tylko  z innych materiałów, głównie ze stopów o dużej zawartości niklu.

Najprościej biorąc, aby prawidłowo pracowały już przy niskich częstotliwościach rzędu 20Hz, indukcyjność musi być duża. Duża indukcyjność wymaga dużej liczby zwojów, a to nieuchronnie zwiększa szkodliwą pojemność własną uzwojeń i obniża częstotliwość rezonansową. Dlatego w przypadku małych transformatorów audio należy rozpatrywać przynajmniej uproszczony schemat zastępczy jak na rysunku 2.

Uproszczony, bo pomijający omawiane w poprzednim odcinku rezystancje, a za to pokazujący istniejąca w każdym transformatorze niepożądane pojemności. Kluczowym problemem w zakresie niskich częstotliwości jest wartość indukcyjności L_M i  reaktancji X_L przy najniższych częstotliwościach. Kluczowym problemem w zakresie wysokich częstotliwości jest rezonans, który powinien występować powyżej pasma akustycznego oraz rosnące straty w rdzeniu przy wyższych częstotliwościach. W rzeczywistości dochodzą do tego współpracujące rezystancje: źródła R_G i obciążenia R_L oraz rezystancje wewnętrzne transformatora, pominięte na rysunku 2. Uzyskanie płaskiej charakterystyki w całym paśmie audio 20Hz…20kHz jest niełatwym zadaniem.

Jeszcze trudniejsze jest zaprojektowanie dobrego transformatora wyjściowego do lampowego wzmacniacza mocy audio. Zadanie jest dodatkowo utrudnione, bo tu nie można pominąć wewnętrznych rezystancji strat, jak pokazuje, też w uproszczeniu, rysunek 3, gdzie pokazane są dwie wersje schematu zastępczego.

W sumie zaprojektowanie dobrego transformatora do wzmacniacza mocy, który miałby idealnie równomierną charakterystykę częstotliwościową i fazową w paśmie 20Hz…20kHz i znakomite inne parametry, jest praktycznie niemożliwe. Wzmacniacze lampowe, zarówno konstrukcje dawne, jak i współczesne, z reguły mają użyteczne pasmo przenoszenia znacząco węższe. Użytkownik nie ma wpływu na niedoskonałości takich transformatorów audio. Może tylko z dość szerokiej oferty rynkowej zamówić typ o satysfakcjonujących go parametrach.

Transformatory szerokopasmowe

Warto też nadmienić, że w sprzęcie pomiarowym potrzebne bywają transformatory szerokopasmowe, przenoszące sygnały o dużo szerszym paśmie częstotliwości niż zakres audio. To kolejne bardzo złożone zagadnienie. Najprościej biorąc, aby rozszerzyć pasmo w dół, indukcyjność powinna być jak największa. Aby rozszerzyć pasmo w górę, trzeba stosować rdzenie o małych stratach w zakresie w.cz. (np. ferrytowe) oraz minimalizować pojemności własne (rezonanse), więc liczby zwojów nie mogą być zbyt duże.

Większość Czytelników słyszała o szerokopasmowych transformatorach w.cz., stosowanych w różnych urządzeniach radiowych. Ich dolna częstotliwość graniczna to 100kHz lub więcej, a górna jest rzędu megaherców. Mniej znane są szerokopasmowe pomiarowe transformatory sygnałowe, tzw. injection transformers, których pasmo zaczyna się nawet od 1 herca i sięga ponad 1MHz. Jednym z najlepszych jest Omicron Lab B-WIT 100 o 3-decybelowym paśmie przenoszenia 7Hz do 5MHz i paśmie użytecznym 1Hz…10MHz – fotografia 4.

Transformatory impulsowe

Aktualnie liczne transformatory pracują w rozmaitych przetwornicach impulsowych. Wtedy dają o sobie znać wszystkie omówione wcześniej niedoskonałości. Do tego dochodzi tak zwana indukcyjność rozproszenia (leakage inductance), która występuje we wszystkich transformatorach, ale w takich zastosowaniach daje  o sobie znać wyjątkowo silnie. Indukcyjność rozproszenia jest uwzględniona na schemacie zastępczym na rysunku 5. Często jest przyczyną rozmaitych kłopotów.

Ponieważ przetwornice impulsowe pracują przy częstotliwościach począwszy od kilkudziesięciu kiloherców do ponad 1 megaherca, ich indukcyjność jest stosunkowo mała, a uzwojenia zawierają od kilku do kilkudziesięciu zwojów, najwyżej kilkuset. Indukcyjność może być nawet milion razy mniejsza, niż transformatorów sieciowych 50Hz.

Z uwagi na małą liczbę zwojów można zastosować uzwojenia o dużym przekroju i tym redukować straty w miedzi. Niestety przy najwyższych częstotliwościach, z uwagi na zjawisko naskórkowości nie może to być pojedynczy gruby drut, tylko albo wielożyłowa lica, albo płaska taśma – folia. Straty w rdzeniu można dobrać, wybierając jego materiał: proszkowy, nanokrystaliczny lub ferrytowy.

Warto te wspomnieć, że transformatory pracują w swej klasycznej roli tylko w tak zwanych przetwornicach przepustowych (forward). Natomiast w przetwornicach o konfiguracji zaporowej (flyback) powinno się mówić nie o transformatorze, tylko o dwuuzwojeniowej cewce gromadzącej energię.

Z kolei w najnowszych odmianach zasilaczy pracują tak zwane przetwornice rezonansowe. Ich zasada działania jest zupełnie inna niż klasycznych, a wykorzystywany w nich dwuuzwojeniowy element indukcyjny należy rozpatrywać jako część obwodu rezonansowego, przy czym dość często celowo i z pożytkiem wykorzystywana jest indukcyjność rozproszenia, która jest zmorą w innych przetwornicach. To też są aspekty daleko wykraczające poza ramy tego artykułu. Najprościej biorąc: w przetwornicach impulsowych czym wyższa częstotliwość pracy, tym mniejsza może być indukcyjność, a to w sumie oznacza, że transformator impulsowy o danej mocy może być wielokrotnie mniejszy i lżejszy od transformatora sieciowego 50Hz. Współczesne zasilacze impulsowe są coraz mniejsze głównie dlatego, że pracują z coraz większymi częstotliwościami.

Ferrytowy transformator sieciowy?

Wielu, nie tylko początkujących elektroników zastanawia się, dlaczego nie są produkowane transformatory sieciowe 50Hz z rdzeniami ferrytowymi?

Klasyczne transformatory mają rdzeń z tanich blach stalowych o znacznej zawartości krzemu (blachy żelazokrzemowe). Lepsze transformatory mają rdzenie z blach zawierających także inne pierwiastki, głównie nikiel. Wszystkie te materiały mają bardzo dużą przenikalność magnetyczną, przez to do uzyskania dużej indukcyjności, niezbędnej przy częstotliwości 50Hz, wystarczy stosunkowo niewiele zwojów. Wszelkie ferryty mają wielokrotnie mniejszą przenikalność. Do uzyskania niezbędnej dużej indukcyjności, uzwojenia ferrytowego transformatora sieciowego (50Hz) musiałyby one mieć wielokrotnie więcej zwojów. To zwiększyłoby rezystancję i takie transformatory byłyby gorsze, większe i droższe.

Podsumowanie

W transformatorach występują różne niedoskonałości. W większości przypadków nie ma sensu ich mierzyć, a ewentualnie sprawdzić podstawowe właściwości: moc maksymalną w transformatorach sieciowych i pasmo przenoszenia w transformatorach audio. Zwykle nie ma też sensu szczegółowy pomiar niedoskonałości w gotowych transformatorach impulsowych, bowiem w praktyce zadanie polega na tym, żeby zaprojektować transformator do przetwornicy, który miałby zadane parametry, w tym określone, na za duże niedoskonałości.

Ogólnie biorąc konstruktor, który ma zaprojektować transformator o danej mocy przenoszonej, musi wiedzieć lub założyć, przy jakiej częstotliwości będzie on pracował. Potem musi dobrać wzajemnie od siebie zależne parametry uzwojenia (indukcyjność, liczba zwojów i grubość drutu) oraz parametry rdzenia (wielkość, materiał, kształt) tak, żeby rdzeń się nie nasycał, a transformator przy tej mocy przenoszonej nie stał się zbyt gorący. I żeby jednocześnie był możliwie mały, lekki i tani. Czym większa częstotliwość pracy, tym mniejszy mógłby być transformator o danej mocy. Jednak zwiększanie częstotliwości pracy przetwornic/zasilaczy impulsowych powoduje inne problemy, związane nie z transformatorem, tylko z przełączaniem tranzystorów i z zakłóceniami. Te problemy są skomplikowane i niewiele dotyczą hobbystów, a jedynie wąskiego grona specjalistów. Dlatego w ramach niniejszego cyklu niedoskonałościami transformatorów nie będziemy się zajmować szczegółowo. Na życzenie, wyrażone na stronie Zapytaj i odpowiedz, w oddzielnych artykułach mogą być rozszerzone wybrane wątki.

W następnym artykule ER008 (oraz w kolejnym ER009) zaprezentowane są najprostsze praktyczne sposoby pomiaru niedoskonałości rezystorów.

 Piotr Górecki