VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav radioelektroniky NÁVRH SYMETRIZAČNÍCH ČLÁNKŮ PRO MĚŘENÍ SYMETRICKÉ SLOŽKY VLOŽNÉHO ÚTLUMU ODRUŠOVACÍCH FILTRŮ EMC diplomová práce Studijní obor: Jméno studenta: Vedoucí diplomové práce: Elektronika a sdělovací technika Zdeněk ŠRUTKA Ing. Jiří Dřínovský
BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Faculty of Electrical Engineering and Communication Institute of Radio Electronics Balancing Units for Measuring Insertion Loss of EMC Filters Diploma Thesis Study Specialization: Author: Supervisor: Electronics and Communication Zdeněk ŠRUTKA Ing. Jiří Dřínovský ABSTRACT The aim of this diploma thesis is to design, construct and measure the features of balancing units for measuring insertion loss of EMC filters. These pairs of the balancing units should work in a wide frequency band. The units also have to transform the 50 Ω input impedance for these measuring systems 50 Ω/50 Ω, 50 Ω/0.1 Ω, 50 Ω/100 Ω. Thanks to the smart design of these balancing units it is possible to measure the differential and also common mode of insertion loss of EMC filters for various impedance systems, such as 50 Ω/50 Ω, 0,1 Ω/0,1 Ω, 100 Ω/100 Ω, 100 Ω/0,1 Ω, 0,1 Ω/100 Ω on the input / output of the filters. The last two mentioned impedance cases are recommended by the international standard CISPR 17 [6]. This measuring technique is there called the worst case methods. On the basis of these measurements of insertion loss in different impedance conditions it can be estimated the filter performance in real operation conditions and also it can be seen unacceptable oscillations. Measurements in the systems with the different input and output impedances are very rare in the catalogues of filter producers. So this work tried to improve this area a little bit further.
Prohlášení Prohlašuji, že svou diplomovou práci na téma Návrh symetrizačních článků pro měření symetrické složky vložného útlumu jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího diplomové práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny uvedeny v seznamu literatury na konci práce. V Brně dne.6.006 Zdeněk ŠRUTKA
Poděkování Děkuji vedoucímu diplomové práce Ing. Jiřímu Dřínovskému za účinnou metodickou, pedagogickou a odbornou pomoc a další cenné rady při zpracování mé diplomové práce. V Brně dne.6.006 Zdeněk ŠRUTKA
Obsah 1 Úvod... - 7 - Základní poznatky z oboru EMC... - 8 -.1 Základní členění oboru EMC... - 8 -. Rušivé signály a jejich zdroje... - 10 -..1 Průmyslové zdroje rušení... - 1 -.. Zdroje napěťového přepětí... - 13 -..3 Zdroje kontinuálního rušení... - 14 -..4 Zvláštní zdroje rušení... - 14 -.3 Základní klasifikace rušivých signálů na vedení... - 14 -.4 Způsoby omezení rušení... - 15 -.4.1 Odrušovací tlumivky... - 16 -.4. Odrušovací kondenzátory... - 17 -.4.3 Přepěťové ochranné prvky... - 18 -.4.4 Odrušovací filtry... - 19-3 Popis a návrh transformátoru... - 1-3.1 Popis transformátoru... - 1-3. Návrh transformátoru... - 3-3.3 Volba konkrétního jádra... - 7-3.3.1 Srovnání jader pro návrh transformátorů... - 7-3.3. Konkrétní výběr toroidního jádra pro realizaci... - 9-3.3.3 Podrobnější popis vybraného jádra RIK 0... - 30-3.4 Vlastní výroba transformátorů... - 31-3.4.1 Výpočty sekundárních závitů... - 3-3.4. Realizace transformátorů... - 3-4 Měření... - 35-4.1 Proměření impedanční charakteristiky transformátorů... - 35-4. Způsoby měření vložného útlumu odrušovacích filtrů... - 38-4..1 Způsob měření symetrické a asymetrické složky útlumu... - 40-4.3 Měření vložného útlumu transformátorů... - 41-4.4 Měření vložného útlumu odrušovacích filtrů... - 41-4.4.1 Filtr ELFIS 1ELF16V... - 43-4.4. Filtr ELFIS 1ELF16VY-4... - 45-4.4.3 Filtr SCHAFFNER FN 31-1/05... - 47-4.4.4 Filtr SCHAFFNER FN 00-16-06... - 49-4.4.5 Filtr SCHAFFNER FN 070-10-06... - 51-4.4.6 Filtr SCHURTER 5110.1033.1... - 53-4.4.7 Filtr FILTANA TS 800 1006... - 55-4.5 Zhodnocení naměřených dat... - 57-4.6 Srovnání nejhorších dosažených případů vložného útlumu filtrů... - 58-4.6.1 Nejhorší dosažitelné případy pro symetrický mód... - 58-4.6. Nejhorší dosažitelné případy pro asymetrický mód... - 60-5 Závěr... - 6 - Literatura... - 63 - Příloha... - 64 - - 6 -
1 Úvod Cílem diplomové práce je navrhnout, sestrojit a měřením prověřit symetrizační články pro měření symetrické složky vložného útlumu. Tyto širokopásmové symetrizační články by měly pracovat v kmitočtovém pásmu alespoň od 1 khz až do 100 khz. Protože většina síťových (napájecích) je navrhována pro vstupní a výstupní impedanci 50 Ω, nastává tedy problém s jejich používáním v reálných podmínkách napájecích sítí. Napájecí energetické sítě nízkého napětí nemají konstantní výstupní impedanci 50 Ω. Impedance těchto sítí se mění v závislosti na kmitočtu a značně závisí na oblastech a typu sítě, ve kterých je odrušovací filtr připojen. Průběh impedance nízkonapěťových energetických sítí je totiž různý na vesnicích, městech, velkoměstech. A také je rozdílný ve veřejných a průmyslový napájecích sítích [1]. Na problém nestálosti výstupní impedance napájecích sítí reaguje Česká technická norma ČSN CISPR 17 [6], která vznikla harmonizací mezinárodního standardu CISPR 17. Česká technická norma ČSN CISPR 17 proto zavádí pojem aproximační metoda pro síťové filtry. Tato metoda specifikuje měření odrušovacích filtrů v impedančním systému 0,1 Ω/100 Ω a opačném, a to zejména pro symetrickou složku vložného útlumu odrušovacích filtrů. V zadání diplomové práce je požadováno vytvoření impedančních symetrizačních transformátorů s impedančními převody 50 Ω/50 Ω, 50 Ω/0,1 Ω a 50 Ω/100 Ω. Všechny impedanční transformátory musí být vyrobeny v párech, aby bylo možné proměřit jejich útlumové charakteristiky [1]. Použitím těchto transformátorů bude možné proměřit symetrickou složku vložného útlumu v následujících impedančních systémech 50 Ω/50 Ω, 0,1 Ω/0,1 Ω, 100 Ω/100 Ω, 100 Ω/0,1 Ω, 0,1 Ω/100 Ω. Závěrem práce bude sestaveno modelové měřicí pracoviště pro měření symetrické složky vložného útlumu a budou proměřeny útlumové vlastnosti vybraných odrušovacích filtrů v symetrickém módu, a to v různých impedančních systémech. Naměřené útlumové charakteristiky budou porovnány s hodnotami, které udávají výrobci, kteří navrhují a rovněž realizují měření jejich vložného útlumu výhradně jen v pevných impedančních systémech, a to zejména v asymetrickém impedančním systému s impedancemi 50 Ω/50 Ω (impedance připojená na vstupu, resp. výstupu odrušovacího filtru). V praxi je však mnohdy velmi výhodné znát i hodnoty symetrické složky útlumu, a to pro různé impedanční systémy. Díky různým impedančním podmínkám lze získat tzv. nejhorší případ, to znamená kdy odrušovací filtr vykazuje nejmenší vložný útlum. Díky dobré znalosti útlumových charakteristik i v jiných impedančních systémech lze lépe předcházet potenciálním problémům, které mohou vzniknout nevhodnou volbou odrušovacího filtru. - 7 -
Základní poznatky z oboru EMC Pro realizaci diplomové práce je dobré se zaměřit na základní pojmy, poznatky a problematiku z oboru EMC (Electromagnetic Compatibility), tedy elektromagnetická kompatibilita (slučitelnost) a při realizaci diplomové práce se takto nabitými poznatky řídit. Elektromagnetická kompatibilita je definována jako schopnost zařízení, systému či přístroje vykazovat správnou činnost i v prostředí, v němž působí jiné zdroje elektromagnetických signálů, ať už přírodní či umělé. Dále pak zařízení nesmí svým vyzařováním elektromagnetického signálu nepřípustně ovlivňovat své okolí. Tedy nesmí vyzařovat takové signály, které by byly rušivé pro jiná zařízení. Elektromagnetická kompatibilita je vyšší a širší pojem než prostá spolehlivost daného zařízení. Tedy spolehlivost a elektromagnetická kompatibilita jsou neoddělitelné požadavky na systém, který má fungovat v každé době a za všech okolností. Nízká odolnost a celkové nerespektování zásad EMC může mít někdy až tragické následky [1]..1 Základní členění oboru EMC Problematiku EMC lze rozdělit podle mnoha různých hledisek []. Celkově však lze otázky EMC rozdělit na dvě hlavní oblasti, a to na: EMC biologických systémů, EMC technických systémů a zařízení. Elektromagnetická kompatibilita biologických systémů se zabývá celkovým tzv. "elektromagnetickým pozadím" okolního životního prostředí a přípustnými úrovněmi rušivých i užitečných elektromagnetických signálů (jak přírodních, tak i umělých) s ohledem na jejich vlivy na živé organismy. Biologické účinky elektromagnetického pole závisí jak na jeho charakteru, době působení, ale i na vlastnostech organismu. U vysokofrekvenčních a mikrovlnných polí (např. mobilní telefon apod.) jsou relativně nejvíce objasněny tepelné účinky, tj. účinky, které se objeví jako výsledek ohřevu živých tkání vystavených vysokým úrovním polí. Účinky elektromagnetického pole na centrální nervový, srdečně-cévní, krvetvorný a imunitní systém se přisuzují netepelným účinkům. Tedy déle trvajícím expozicím polí s relativně nízkou výkonovou úrovní. Tato problematika je řešena ve Vyhlášce ministerstva zdravotnictví č. 408/1990 Sb., která stanovuje požadavky pro práci a pobyt osob v elektromagnetickém poli. Stanovují se zde největší přípustné velikosti ozáření pracovníků, tak i "běžného" obyvatelstva [1]. Elektromagnetická kompatibilita technických systémů, která se zabývá vzájemným působením a koexistencí technických prostředků, zejména elektrotechnických a elektronických přístrojů, prostředků a zařízení. Prof. C. R. Paula jeden ze zakladatelů koncepcí v oblasti EMC řekl: "Elektromagnetická kompatibilita není praktickou aplikací nějakých nových principů či postupů, ale je pouze specifickou aplikací obecných, základních a v mnoha oblastem společných zákonů a principů" [1]. Při zkoumání EMC daného zařízení či systému se vychází vždy z tzv. základního řetězce EMC, naznačeného na obr..1. Tento řetězec zdůrazňuje systémový charakter EMC, kdy v obecném případě vždy vyšetřujeme všechny tři jeho složky. Zdroj elektromagnetického rušení zahrnuje zkoumání obecných otázek mechanismů vzniku rušení, jeho charakteru a intenzity (patří sem např.: motory, spínače, relé atd.). - 8 -
Elektromagnetické přenosové prostředí a vazba, zde se zabýváme způsoby i cestami, kterými se energie ze zdroje rušení dostává do rušených objektů - přijímačů rušení (patří sem například: vzdušný prostor, energetické kabely, napájecí vedení atd.). Problematika objektů či přijímačů rušení se zabývá klasifikací typů a podrobnou specifikací rušivých účinků na základě analýzy konstrukčních a technologických parametrů zařízení a z toho plynoucí jejich elektromagnetickou odolností (např.: číslicová technika, počítače, rozhlasové přijímače, televizní přijímače apod.). V praxi zaměřujeme svou pozornost na jednu ze tří oblastí řetězce EMC. Výběr nejvhodnější z nich, jejíž úpravou dosáhneme nejvyššího efektu EMC, pokud by se podařilo zcela odstranit kteroukoliv část tohoto řetězce, ztratila by elektromagnetická kompatibilita svůj smysl, neboť dané zařízení či systém by byl absolutně kompatibilní. Zdroj elektromagnetického rušení Přenosové prostředí, elektromagnetická vazba Obr..1. Základní řetězec EMC Rušivý objekt, přijímač rušení Dále lze celou problematiku EMC rozčlenit dle obr... na dvě základní skupiny. Elektromagnetická interference či rušení (EMI Electromagnetic Interference). Elektromagnetické rušení je proces, při kterém se signál generovaný zdrojem rušení přenáší prostřednictvím elektromagnetické vazby do rušených systémů. EMI se tedy zabývá především identifikací zdrojů rušení, popisem a měřením rušivých signálů a identifikací parazitních přenosových cest. EMI se hlavně týká příčin rušení a jeho odstraňování. Elektromagnetická susceptibilita či imunita (EMS Electromagnetic Susceptibility či Electromagnetic Immunity). Elektromagnetická citlivost či elektromagnetická odolnost vyjadřuje schopnost zařízení pracovat bez poruch nebo s přesně definovaným přípustným vlivem v prostředí, v němž se vyskytuje elektromagnetické rušení. EMS se spíše týká odstraňování důsledků rušení []. Elektromagnetická kompatibilita EMC Elektromagnetická interference EMI Obr... Základní členění EMC Elektromagnetická susceptibilita EMS Velmi rozsáhlou a důležitou oblastí je měření elektromagnetické interference, především měření rušivých signálů a jejich identifikace. Zahrnuje měřicí metody a postupy pro kvantitativní hodnocení vybraných parametrů hlavně na rozhraních zdrojů a přijímačů rušení. Též se užívá testování elektromagnetické odolnosti objektů - 9 -
pomocí simulátorů rušení (EMC simulátory), přičemž jde o praktické ověření stupně elektromagnetické odolnosti navrženého zařízení. V dnešní době je dosti rozšířená i oblast počítačové simulace a modelování EMS i EMI. Pro praktickou nemožnost dosáhnout absolutní elektromagnetické kompatibility jakéhokoli zařízení bylo nutné stanovit normy, technické směrnice a předpisy EMC, tedy stanovit maximální přípustné meze hodnot rušivých signálů pro určitý typ zařízení.. Rušivé signály a jejich zdroje V důsledku neustále rostoucího množství elektrických zařízení a spotřebičů neúnosně stoupá úroveň rušení v kmitočtových pásmech prakticky od 0 Hz až do stovek GHz. Každý elektrotechnický systém můžeme pokládat zároveň za zdroj i za přijímač elektromagnetického rušení [3]. V praxi vyčleňujeme skupinu systémů, u nichž vysoce převažuje proces generování rušivých signálů nad jejich nežádoucím příjmem a nazýváme je interferenčními zdroji či zdroji elektromagnetického rušení. Klasifikaci rušení i jejich zdrojů lze uskutečnit podle mnoha hledisek. Možné příklady členění jsou naznačeny na obr..3. Interferenční zdroje přírodní (přirozené) umělé (technické) funkční nefunkční (parazitní) impulsní spojité kvaziimpulsní úzkopásmové širokopásmové nízkofrekvenční (energetické x akustické) vysokofrekvenční (rádiové) zdroje rušení vedením zdroje rušení vyzařováním Obr..3. Klasifikace interferenčních signálů Pro zamezení rušení je nejdůležitější se zaměřit především na umělé interferenční zdroje, tady na zdroje vzniklé lidskou činností. Přírodní zdroje rušivých signálů musíme brát jako fakt, jejichž vzniku v mnoha případech nemůžeme zabránit, můžeme tedy jen předcházet jejich následkům. - 10 -
Funkční interferenční zdroje jsou takové, které jsou základem funkce jednoho systému (např. sdělovací signály vysílačů) a přitom mohou ovlivňovat základní funkce jiného systému a být tedy vůči němu rušivé. Ostatní zdroje produkující při svém provozu parazitní (nežádoucí) rušivá napětí či pole, nazýváme jako parazitní či nefunkční. Interferenční zdroje můžeme též dělit podle časového průběhu rušivého signálu. Na impulsní rušení, které má charakter časové posloupnosti jednotlivých impulsů nebo přechodných jevů. Opakem je tzv. spojité rušení, které nemůžeme považovat za posloupnost oddělených jevů a působí nepřetržitě na rušené Obr..4. Jednorázová mžiková porucha a) jako nepřerušená řada impulsů, b) jako skupina jednotlivých impulsu netrvající déle než 00 ms zařízení. Kombinací spojitého a impulsního rušení je rušení kvaziimpulsní. Posouzení zda jde o spojité či nespojité impulsní rušení není v praxi zdaleka jednoduché. Pro jednoznačné určení byly vydány mezinárodní normy (v České republice např. ČSN EN 55014). Technická norma definuje mžikovou (impulsní) poruchu jako poruchu s dobou trvání ne delší než 00 ms, která musí být oddělena od následující mžikové poruchy nejméně o 00 ms (obr..4.). Umělé rušivé signály se často rozdělují do tří základních skupin: šum, impulsy, a přechodné jevy. Šum jsou rušivé signály ovlivňující především tvar užitečného signálu, např. napájecího napětí. Šum jakožto rušivý signál má často periodický charakter. Jeho typickými zdroji jsou elektrické motory a rotační svářečky. Impulsy jsou rušivé signály impulsního charakteru s velkým poměrem velikosti impulsů k době jejich trvání. Na užitečný signál se tyto impulsy superponují jako kladné či záporné špičky. Typickou příčinou jejich vzniku jsou zejména spínací poruchy při kontaktním spínání elektrických či energetických obvodů a soustav. Přechodné jevy jsou náhodné rušivé jednorázové signály s obvyklou dobou trvání od několika ms do několika sekund. Hlavními příčinami jejich vzniku jsou, např. v energetické síti, náhlé změny jeho zatížení při zapínání a vypínání spotřebičů velkých výkonů. S časovým průběhem rušivého signálu je jednoznačně vázána i šířka jeho kmitočtového spektra. Tento údaj je důležitý zejména z hlediska použití vhodných prostředků pro potlačení rušení (odrušovací filtry). Úzkopásmové rušení představují zejména užitečné signály rozhlasových a televizních vysílačů. Charakter širokopásmového rušení má naopak většina tzv. průmyslových rušivých signálů. Patří sem též všechna přírodní rušení, která jsou v podstatě širokopásmová. Kmitočtové rozsahy rušivých signálů vybraných zdrojů rušení jsou v tab..1. Z hlediska obsazení kmitočtového spektra fyzikálního působení lze rušení dále členit na nízkofrekvenční a vysokofrekvenční. Nízkofrekvenční rušení se projevuje dvojím způsobem: energetickým a akustickým nízkofrekvenčním rušením. Energetické nízkofrekvenční rušení působí na napájecí energetickou soustavu v pásmu kmitočtů od nuly do khz. Způsobuje hlavně zkreslení napájecího napětí a odebíraného proudu energetických sítí. To se projevuje rušivě v provozu zařízení, která jsou závislá na tvaru - 11 -
napájecího elektrického napětí. Mezi náchylná elektrická zařízení patří např. ovládací a sdělovací systémy, osvětlení, stroje a přístroje. Zdrojem energetického rušení je obecně každá nelineární zátěž napájecí sítě způsobující deformaci odebíraného proudu. Akustické nízkofrekvenční rušení působí v pásmu do 10 khz. V tomto frekvenčním pásmu negativně ovlivňuje funkci přenosových informačních systémů. Patří sem např. telefony, rozhlas, měřící a řídící zařízení, komunikační a informační soustavy. Toto rušení generují prakticky všechny energetické zdroje, systémy číslicového zpracování dat, radary apod. Vysokofrekvenční nebo-li rádiové rušení leží v pásmu od 10 khz do 400 GHz. Ke zdrojům rádiového rušení patří všechny existující interferenční zdroje, neboť jejich rušivé signály zasahují prakticky vždy až do těchto kmitočtových oblastí. Obecně se z každého interferenčního zdroje šíří rušivý signál, jak vyzařováním prostorem, tak i po napájecích či sdělovacích vedeních. U různých zdrojů rušení nejčastěji jeden z těchto způsobů šíření převažuje, a proto se interferenční zdroje někdy rozdělují na zdroje rušení šířených vedením a na zdroje rušení šířených vyzařováním [3]. Z přehledu rušivých signálů je zřejmé, že není možné provést jejich přesnou klasifikaci a že celá problematika je velmi složitá a provázaná. Pro výběr vhodného odrušení je tedy nezbytně nutné znát charakter a povahu rušivých signálů v místě instalace a také příčinu jejich vzniku...1 Průmyslové zdroje rušení Tab..1. Kmitočtové spektrum vybraných zdrojů rušení Zdroj rušivých signálů Kmitočtové pásmo Způsob šíření rušivého signálu zářivka 0,1 Hz 3 MHz po vedení 100 Hz 3MHz prostorem rtuťová výbojka 0,1 Hz 1 MHz po vedení kolektorové motory MHz 4 MHz po vedení 10 Hz 400 khz prostorem síťové vypínače 0,5 Hz 5 MHz po vedení výkonové spínače 10 Hz 0 MHz po vedení 0,1 Hz 0 MHz prostorem spínané síťové zdroje 0,1 Hz 30 MHz po vedení 0,1 Hz 30 MHz prostorem koronový výboj 0,1 Hz 10 MHz po vedení klopné obvody 15 KHz 400 MHz prostorem Z periodických spojitých rušivých signálů jsou nejvýznamnější harmonické složky kmitočtu napájecí sítě 50 Hz, které jsou často produkovány již samotnými silnoproudými generátory při výrobě elektrické energie [3]. Takto vzniklé harmonické složky vyvolávají na nelineárních impedancích sítě (např. na transformátorech s nelineární magnetickou charakteristikou) vznik dalších harmonických složek. Největšími zdroji tohoto rušení jsou zde zejména řízené polovodičové měniče velkých výkonů, které produkují v napájecích sítí harmonické kmitočty až do 30 MHz. Další typ rušení vzniká nejčastěji v napájecích sítích nízkého napětí při činnosti stykačů a jističů, případně mechanických relé. Při přechodovém jevu rozpojování obvodu obsahujícího indukčnost dochází v okamžiku rozpojení kontaktů k rychlé změně proudu di/dt, a tím vzniku vysokého rušivého napětí u = -L di/dt. Další typ rušení vzniká třeba na usměrňovačích diodového typu a zejména v případech tyristorového řízení. Nejrozšířenějšími zdroji průmyslového rušení jsou kolektory - 1 -
elektrických motorů, spínané napájecí zdroje, kapacitní výboje, zapalovací obvody zážehových spalovacích motorů. Rušivá napětí v napájecí energetické síti mohou mít řadu různých podob a mohou se projevovat různými formami deformace harmonického napájecího napětí 50 Hz. Typické případy deformací harmonického napětí jsou: vysokofrekvenční impulsy, jehlové impulsy, přepětí, podpětí, harmonické složky, výpadky napájení... Zdroje napěťového přepětí Jsou rozdělovány na dvě skupiny: přírodní zdroje (bleskový výboj) a zdroje uměle vytvořené lidskou činností (lokální elektrostatické výboje). V dnešní době se neustále zvyšuje poruchovost a klesá odolnost elektrických zařízení proti přepětí z důvodu rostoucí hustoty součástek v elektronických obvodech. Je tedy nutné, aby zařízení s diskrétními součástkami vydržela přepětí až několik kv. Moderní integrované obvody (s počtem součástek až několik miliónů na čipu) již bývají poškozeny napětím -00 ka od několika V i při mizivě i malé energii přepětí (od 10-8 J u mikrovlnné diody, od 10-7 J u obvodů CMOS a integrovaných obvodů). Dalším nepříznivým 0,5-10 us několik set us faktorem je stále vyšší rychlost polovodičových Obr..5. Proudový impuls při úderu blesku a jeho parametry součástek reagujících i na stále kratší rušivé signály. Přírodním zdrojem rušení je především bleskový výboj, který ohrožuje elektrická a elektronická zařízení až do vzdálenosti 4 km. Vybíjení atmosférické elektřiny bleskem způsobuje vznik strmého elektromagnetického impulsu, označovaného též jako LEMP (Lightning Electromagnetic Pulse), který má na zasažená i vzdálenější zařízení destrukční účinky. Jeho průběh je znázorněn na obr..5. Kde jeho celková energie je,5 až 10 MJ, strmost impulsu až 00 ka a celkový náboj 150 až 300 C. Umělými zdroji přepětí jsou prakticky všechny spínací zařízení. Do této kategorie patří zejména lokální elektrostatické výboje, označovaného jako EMP (Electromagnetic Pulse), vznikající při tření mechanických častí. Napěťová úroveň elektrostatického výboje dosahuje až několik desítek kv. Elektrostatické výboje mohou vzniknou např. třením šatů a bot o izolační povrchy, které vyvolávají vznik náboje o vysokém elektrickém napětí. Toto napětí dále narůstá s každým krokem osoby na izolačním povrchu (koberec, podlahová krytina). Při dotyku osoby s povrchem elektrického zařízení o vztažném potenciálu okolí se pak náboj kapacity těla člověka vybije a působí destrukčně na elektrické součástky [3]. - 13 -
..3 Zdroje kontinuálního rušení Jedná se o další rušení, které může ohrozit správnou funkci elektrického systému. Jejich působení trvá obvykle nepřetržitě nebo alespoň relativně delší dobu. Patří sem nežádoucí vyzařování různých systémů veřejných radiokomunikačních služeb (rozhlasové, televizní vysílání (40 až 300 MHz), radarové vysílače). Jejich signály jsou parazitně injektovány do kabelových a jiných vedení, nebo se šíří pouze vyzařováním. Patří sem též rušení z neveřejných radiokomunikačních služeb např. CB rádio pracující v pásmu 7 MHz [3]...4 Zvláštní zdroje rušení Jedním z nich je tzv. nukleární elektromagnetický impuls, označovaný NEMP (Nuclear Electromagnetic Pulse), který vzniká jako doprovodný jev při jaderném výbuchu. Jedná se o velmi strmý výkonový impuls jehož, účinky jsou destruktivní pro všechna okolní slaboproudá i silnoproudá elektrická zařízení. Tvar impulsu NEMP je tvarově podobný impulsu LEMP. Další rušivé zdroje jsou souhrnně označovány jako rušení mimozemského původu. Jde především o působení Slunce, které vlivem erupcí vysílá k Zemi tzv. sluneční vítr nukleárních částic. Ty se při srážkách s ionty a molekulami zemské atmosféry tvoří geomagnetické bouře, které způsobují silná elektromagnetická rušení v širokém pásmu kmitočtů [3]..3 Základní klasifikace rušivých signálů na vedení Rušivé signály šířící se po daném vedení (napájecím, sdělovacím či datovém) se mohou projevovat jako protifázové nebo soufázové rušení [1] a [5]. Na obr..6. jsou jednotlivé pojmy týkající se soufázových a protifázových rušivých signálů. Z S C Z i p Z Z C Z Obr..6. Protifázové (p) a soufázové (s) rušívé proudy a napětí na vedení Diplomová práce je zaměřena hlavně na protifázové rušivé signály (označovaná též jako symetrická rušivá napětí nebo také differential mode voltages ) reprezentovány proudy i P a napětím u P. Ideální symetrický systém nebo obvod má dvě elektricky zcela shodné větve nebo vodiče, přičemž oba dva (obě dvě) jsou elektricky symetrické vzhledem ke společnému referenčnímu bodu, kterým bývá obvykle zem. - 14 -
Napětí v odpovídajících si místech na těchto dvou větvích, resp. vodičích, měřená vzhledem k zemi, jsou shodná ve velikosti, ale mají opačnou fázi. Protifázové rušivé proudy i P tedy mají v jednotlivých vodičích vedení stejný směr jako užitečné proudy. Protifázové rušivé napětí u P působí přímo na impedanci užitečné zátěže. Proto protifázové rušení může vyvolat chybnou funkci celého spotřebiče. Příčinou vzniku právě takových protifázových rušených signálů jsou různé zdroje rušivého napětí U rp přímo ve vlastním vysílacím zdrojovém zařízení, tedy přímo v napájecí energetické síti. Soufázové rušivé signály (označovány též jako nesymetrická rušivá napětí nebo common mode voltages ) reprezentovány proudy i S a napětím u S, projevující se mezi jednotlivými vodiči vedení a společnou zemí daného systému (tedy společným zemním vodičem). Ve vodičích vedení mají soufázové rušivé proudy i S1 a i S stejný směr a uzavírají se přes společnou zem (společný zemní vodič), průtokem parazitními zemními kapacitami systému C Z. Příčina vzniku soufázových rušivých signálů je dána zejména vlivem parazitních zemních potenciálů U rs, nebo též indukcí z vnějšího rušivého magnetického pole. Vlivem nesymetrie celého vyšetřovaného systému (hlavně nesymetrie jeho zemnících částí) se vždy část soufázového rušivého napětí (daná rozdílem napětí u S1 u S ) projevuje jako protifázové rušivé napětí a působí přímo na impedanci užitečné zátěže Z Z. Patří sem i asymetrické rušivé napětí, které je však vedeno k zátěži součastně o stejné velikosti proudů i S1 = i S a napětí u S1 = u S vůči zemnímu potenciálu, tedy asymetrické rušivé napětí nemá složku protifázového (symetrického) rušení..4 Způsoby omezení rušení Jak je patrno již ze základního řetězce EMC na obr..., lze rušení omezovat ve všech třech oblastech tohoto řetězce. Tedy přímo u zdroje (vysílače) rušení, na přenosové trase či v objektu (přijímači) rušení. Rušení se snažíme omezit již u jeho zdroje, aby neovlivňovalo zkoumaný přijímač, ale ani jiné objekty. Pokud na vstup přijímače přichází rušení s užitečným signálem o stejném kmitočtu, potom je zásah u zdroje jediným možným způsobem odstranění rušení. V ostatních případech se snažíme odstraňovat rušení nejen u zdroje, ale i v přijímači a v přenosových cestách rušivého signálu. Pokud je rušivý signál signálem užitečným pro jiný druh zařízení (např. vysílání vysílače), je zásah u zdroje prakticky zcela vyloučen. Technickým prostředkům, které používáme k potlačení či omezení elektromagnetického rušení v kterékoli části řetězce EMC, říkáme odrušovací prostředky. Používáme je nejen k potlačení rušivých signálů u jejich zdroje, ale i pro zvýšení odolnosti "přijímacího" zařízení proti němu. Mezi odrušovací prostředky patří: odrušovací tlumivky a jednoprvkové tlumivkové filtry, odrušovací kondenzátory a kondenzátorové filtry, odrušovací filtry LC, přepěťové ochranné prvky (bleskojistky, plynem plněné výbojky, varistory, omezovací diody), elektromagnetické, elektrické a magnetické stínění. Podle druhu šíření rušení (šířící se vedením, či vyzařováním) použijeme patřičný odrušovací prostředek, tak abychom dosáhli maximálního efektu utlumení tohoto rušení. - 15 -
Pro omezení rušení po vedeních, příp. zvyšování odolnosti vůči tomuto druhu rušení se používají zejména odrušovací tlumivky, kondenzátory, kmitočtové filtry LC a přepěťové ochrany. Pro omezení rušení vyzařováním, příp. zvýšení odolnosti vůči elektromagnetickým polím se musí použít správně provedené stínění. Nesprávná volba odrušovacího prostředku nepřinese očekávaný efekt, ale většinou je příčinou zhoršení parametrů odrušovaného zařízení nebo ohrožení bezpečnosti obsluhy. Dosavadní praxe EMC elektrických přístrojů a zařízení ukazuje, že na parazitních přenosech a rušeních dvou (i vzájemně vzdálených) přístrojů má téměř vždy podíl rozvodná energetická síť. Je to způsobeno tím, že energetické vodiče vstupující do přístroje nejrůznějším způsobem se parazitně váží s vnitřními částmi přístroje. Vně přístroje se napájecí vodiče rozdělují do mnoha jiných prostorů a přístrojů, realizují tak přímou (mnohdy i galvanickou) vazbu mezi vnitřními částmi různých přístrojů. Induktivní vazbou se do těchto vodičů mohou dostávat signály z blízkých vysílačů. Pak jsou tato vysokofrekvenční napětí přenášena do vnitřního prostoru přístroje nebo současně se ze síťových vodičů přenáší do antén a anténních vstupů přijímačů. Potlačení rušení přenášeného sítí se realizuje dvěma způsoby, které se obvykle používají společně: První spočívá ve zmenšení parazitní kapacity mezi síťovými vodiči a ostatními částmi přístroje. Zde uplatňujeme především elektrické odstínění primárního vinutí síťového transformátoru vůči ostatním vinutím a správné rozmístnění součástek v napájecích obvodech. Druhý způsob je založen na zabudování odrušovacího filtru do přívodu napájecí sítě. Nejen v těchto filtrech, ale i samostatně se používají speciální odrušovací tlumivky, kondenzátory a přepěťové ochrany..4.1 Odrušovací tlumivky Odrušovací tlumivky jsou nejzákladnější a nejpoužívanější pasivní prvky užívané v technice odrušování. Jsou používány jak samostatně, tak jako součást odrušovacích filtrů. Principiální zapojení odrušovací tlumivky mezi zdroj rušení a přijímač rušení je uvedeno na obr..7.a. Odrušovací tlumivka je zapojena v sérii s vnitřní impedancí sítě Z S a vstupní impedancí napájecího vstupu chráněného přístroje Z Z. Analýzou tohoto jednoprvkového tlumivkového filtru snadno určíme jeho základní parametr vložný útlum v [ db ] U 0 jωl L = 0 log = 0 log1+, (.1) U Z S + Z Z kde U je napětí na výstupu filtru, tedy na zátěži Z Z a U 0 je stejné napětí bez přítomnosti filtru, tj. bez zapojené tlumivky [4]. Kmitočtový průběh útlumu lze rozdělit do dvou kmitočtových oblastí viz. obr..7.b. L 0 [ db ] pro L = ωl log Z S + Z Z 0 [ ] db pro ω L Z + Z, S Z ω L Z + Z. S Z (.) - 16 -
Obr..7. a) Zapojení odrušovací tlumivky do vedení, b) kmitočtový průběh jejího vložného útlumu Tlumivku lze pro účinné potlačení rušení na vedení použít pouze v nízkoimpedančních systémech, jak je zřejmé z rovnic (.). Reálná tlumivka se chová jako rezonanční obvod a snižuje tedy s rostoucím kmitočtem (nad svým kmitočtem rezonančním) velikost vložného útlumu. Hlavní typy odrušovacích tlumivek podle účelu použití a podle druhu odrušovaného zařízení rozdělujeme do skupin: tlumivky pro potlačení symetrické složky rušení v napájecích obvodech, pro potlačení parazitních vazeb mezi signálovými a řídicími obvody, vysokofrekvenční blokovací tlumivky. Tyto tlumivky se zapojují podélně do proudových vodičů (viz obr..7.a) a pracovní proud obvodu jimi protéká ve stejném směru jako rušivý proud, tlumivky pro potlačení nesymetrické složky rušení v napájecích obvodech, tzv. tlumivky s proudovou kompenzací. Využívají principu, že fázový a zpětný vodič jsou navinuty na jednom společném toroidním jádru. Pro soufázové rušivé proudy obou vodičů mají magnetické toky v jádře stejný směr, a tedy efektivní indukčnost je pro tyto vysokofrekvenční rušivé značná, na rozdíl od protifázového napájecího signálu 50 Hz, kde výsledná indukčnost je prakticky nulová..4. Odrušovací kondenzátory Odrušovací kondenzátory mohou být používány buď samostatně nebo spojené do určitých kombinací tzv. kondenzátorových filtrů, nebo jako součásti odrušovacích filtrů LC, či článků RC [4]. Odrušovací kondenzátor se zapojuje paralelně k vnitřní impedanci sítě Z S a vstupní impedanci napájecího vstupu chráněného (odrušovaného) zdroje Z Z, jak je naznačeno na obr..8.a. Vložný útlum v [ db ] tohoto jednoprvkového kondenzátorového filtru je roven U L = 0 log ω U Z + Z 0 S Z = 0 log1+ j C, (.3) ZS + ZZ kde U je napětí na výstupu filtru, tedy na zátěži Z Z a U 0 je stejné napětí bez přítomnosti filtru, tj. bez zapojeného kondenzátoru. Kmitočtový průběh útlumu má dvě oblasti naznačené na obr..8.b - 17 -
L 0 [ db ] pro L = ωl log Z S + Z Z 0 [ ] db pro ω C /( Z Z ) 1 S Z ω C /( Z Z ) 1 S Z (.4) Obr..8. a) Zapojení odrušovacího kondenzátoru do vedení, b) kmitočtový průběh jeho vložného útlumu Odrušovací kondenzátory "zkratují" rušivé napětí na zemní potenciál či kostře přístroje, proto jsou důležité jejich průrazné parametry z hlediska bezpečnosti proti úrazu elektrickým proudem. Za tímto účelem dělíme kondenzátory do tříd: odrušovací kondenzátory třídy X jsou určeny pro použití tam, kde jejich případný průraz nemůže ohrozit bezpečnost lidského života. Zapojují se tedy mezi fázový a zpětný vodič, kde potlačují vysokofrekvenční protifázové rušivé proudy a nepropustí je na vstup odrušovaného obvodu, odrušovací kondenzátory třídy Y se zapojují mezi fázový a ochranný vodič, či uzemněný kryt přístroje a všude tam, kde je bezpečnostními normami omezena přípustná hodnota svodového proudu. V tomto zapojení odstraňují vysokofrekvenční soufázové proudy. Odrušovací kondenzátory se používají na odstranění protifázové (I P ) nebo soufázové (I S ) složky rušivého proudu na vedení. Konstrukčně jsou vyráběny ve čtyřech variantách a podle zapojení do obvodu mohou odrušovat protifázové, či soufázové rušení. dvojpólové (mohou odstraňovat protifázové i soufázové rušivé proudy), trojpólové (chrání spotřebič pouze proti soufázovým proudům), čtyřpólové (odstraní pouze protifázový rušivý proud), vícepólové (např. pětipólový odrušovací kondenzátor odruší jak soufázové, tak i protifázové rušivé signály)..4.3 Přepěťové ochranné prvky Jedná se o součástky sloužící k potlačení či omezení napěťového přepětí vznikajícího na přenosových vedeních v důsledku některých rušivých elektromagnetických dějů, např. blesku, elektrostatických výbojů, spínacích pochodů. Hlavními druhy přepěťových ochranných prvků jsou: plynem plněné bleskojistky (výbojky), - 18 -
variátory, klasické Zenerovy diody, supresorové diody. První dva druhy přepěťových ochran jsou řazeny mezi ochranu hrubou, tedy nebývají tak přesné jako jemná ochrana, kam spadají poslední dva uvedení příklady..4.4 Odrušovací filtry Odrušovací filtry se používají k dokonalejší ochraně před působením vysokofrekvenčního rušení šířícího se po vedení. Nejčastěji jsou navrhovány jako filtry LC typu dolní propust (DP), které bez potlačení propouštějí signály (proudy) s kmitočtem nižším než je určitý mezní kmitočet f m a naopak kmitočty jež jsou vyšší než daný mezní kmitočet potlačují. Tímto způsobem odrušují nežádoucí signály na daném vedení. Existuje řada druhů : z nichž nejrozšířenějším jsou tzv. síťové (napájecí) odrušovací filtry, filtry s integrovanou ochranou proti působení rušivých impulsů velké intenzity, filtry NEMP (Nuclear Electromagnetic Pulse), příp. LEMP (Lightning Electromagnetic Pulse), někdy též nazývané filtry EMP (Electromagnetic Pulse). V katalozích jsou tyto filtry EMP označovány jako RFI/EMI filters, filtry TEMPEST (TEMPorary Emanation and Spurious Transmission), datové filtry (Data-Line Filters). Jako síťové odrušovací filtry označujeme filtry zapojené do energetické napájecí sítě či do napájecího vstupu přístroje. Při vypracování diplomové práce bude pracováno právě s těmito druhy odrušovacích filtrů, které se konkrétně používají na odrušení frekvenčních měničů pro asynchronní motory, odrušení spínaných zdrojů, odrušení ss měničů, odrušení individuálních měničů. Pomocí kaskádních parametrů lze vložný útlum filtru z obr..9. vyjádřit vztahem [1] a [4]: U 0 Z Z 1 Z S Z Z Z S L = 0 log = 0 log A11 + A1 + A1 + A,(.5) U Z S + Z Z Z S + Z Z Z S + Z Z Z S + Z Z kde U je napětí na výstupu filtru (tedy na zátěži Z Z ), U 0 je totéž Z S napětí bez zapojeného filtru a A 11, A 1, A 1, A jsou (komplexní) U1 FILTR ZZ U kaskádní parametry filtru, tj. prvky jeho kaskádní matice [A]. Ze vztahu (.5) je zdroj rušení přijímač rušení patrné, že vlastnosti filtru a velikost jeho Obr..9. Odrušovací filtr jako lineární dvojbran vloženého útlumu závisí jednak na jeho vlastních parametrech a také na výstupní impedanci zdroje a vstupní impedanci - 19 -
přijímače rušení (tedy na impedanci napájecí sítě Z S a impedanci napájecího vstupu přístroje Z Z ). Právě neurčitost těchto impedancí způsobuje značné problémy při návrhu síťového odrušovacího filtru a je hlavní příčinou, že jeden a týž filtr vykazuje velké odchylky hodnot vložného útlumu v závislosti na vnějších pracovních (impedančních) podmínkách obvodů, ve kterých je zapojen. Proto jsou dost značné rozdíly (až několik desítek db) mezi útlumem filtru udávaných v katalozích a skutečnými hodnotami měřenými v provozních podmínkách. Impedance energetické napájecí sítě je veličina, jejíž hodnota silně závisí na typu a provedení sítě a značně se mění v závislosti na kmitočtu, a to ve velmi širokém rozsahu od zlomků Ω až po stovky Ω. Typické průběhy jsou na obr..10. spolu se 3 "střední" hodnotou impedance napájecí sítě stanovenou mezinárodním standardem 10 CISPR, resp. standard Ministerstva obrany 5 Spojených států amerických Z [ Ω] 3 MIL-STD 46D []. Návrh kmitočtového filtru se téměř vždy provádí pro pevný impedanční systém, tedy pro kmitočtově stálé a předem známé impedance na vstupu a výstupu filtru. Navrhování odrušovacích filtrů je téměř vždy řešeno pro pevné vstupní a výstupní impedance o hodnotě 50 Ω. Výsledné vlastnosti odrušovacích filtrů, zejména hodnota vložného útlumu, se pak mohou velmi lišit pokud odrušovací filtr zapojíme do jiného impedančního systému. Tato odchylka je způsobena nedodržením již zmíněných pracovních (impedančních) podmínek, pro které byl daný filtr navržen. Navržení odrušovacího filtru, který by respektoval proměnnou impedanci na jeho vstupu příp. na jeho výstupu, je velmi obtížné a při praktickém návrhu nerealizovatelné. Jediný způsob, který se nabízí, je navrhnout odrušovací filtr standardním způsobem (např. pro vstupní a výstupní impedanci 50 Ω) a následně proměřit jeho vlastnosti v systému s proměnnou impedancí a nebo v systému, který nejlépe vystihuje vlastnosti systému konečné instalace odrušovacího filtru. Poté na základě těchto měření provést korekce vlastního návrhu odrušovacího filtru a tento postup následně opakovat až do té doby, než bude filtr vyhovovat zadaným požadavkům. Hlavním problémem této metody je nedostatečná propracovanost měřicího prostředí, které by umožňovalo měření v tzv. proměnném impedančním systému. Tento systém by měl také umožňovat měření odrušovacích síťových filtrů v dostatečně širokém frekvenčním pásmu [3]. 10 1 5 3 0 1 3 4 10 1 10 3 10 f [khz] 5 3 5 10 Obr..10. Impedance různých typů energetických sítí (1 - venkovní síť; - průběh CISPR; 3 - průmyslová síť; 4 - kabelová zemní rozvodná síť) [1] 3-0 -
3 Popis a návrh transformátoru Podle zadání diplomové práce, je třeba zrealizovat symetrizační širokopásmové impedanční transformační členy, kterými bude možné realizovat měření symetrické složky vložného útlumu odrušovacích filtrů. K tomuto účelu lze použít transformátory, které budou transformovat vstupní impedanci 50 Ω na požadovanou výstupní impedanci 50 Ω, 0,1 Ω, resp. 100 Ω. Symetrické (protifázové) rušivé signály jsou popsány v kap..3. 3.1 Popis transformátoru Transformátor je schopen zvyšovat, či snižovat, tedy měnit (transformovat) velikost střídavého napětí, proudu a impedance. Transformátor je nejen důležitým zařízením, používaný v elektrické rozvodné síti, ale i v mnoha dalších přístrojích, kde tvoří jejich nepostradatelnou součást. Proto se tedy s transformátory setkáváme nejen v technice, ale i v domácnostech. Princip transformátorů využívá elektromagnetické indukce. Základní částí transformátorů jsou dvě cívky. Označovány primární vinutí L 1 s počtem závitů N 1 a sekundární vinutí označované nejčastěji L s počtem závitů N. Obě cívky jsou nasazené, či přímo navinuty na společném jádře. Jestliže začne primární cívkou L 1 protékat střídavý elektrický proud i 1, v jádře transformátoru vzniká proměnné magnetické pole. To způsobuje, že se v sekundárním vinutí cívky L indukuje rovněž střídavé napětí u [7]. Ideální transformátor je hypotetický dvojbran, vzniklý abstrakcí ze skutečné soustavy dvou cívek se vzájemnou vazbou. Zanedbáním vlastní a vzájemné kapacity obou cívek, můžeme chování skutečného transformátoru posuzovat na základě schématu z obr. 3.1.a. Dvojice impedančních rovnic dvojbranu má pak tvar: Uˆ ˆ ˆ 1 = ( R1 + jωl1 ) I1 + jωmi, (3.1) Uˆ = jωmiˆ + ( R + jωl ) Iˆ. 1 Obr. 3.1. Transformátor a) reálný, b) ideální Zanedbáním odporů R 1, R a za předpokladu plné vazby mezi cívkami (tedy nulový rozptyl), můžeme rovnice (3.1) přepsat do tvaru: Uˆ ˆ ˆ ˆ ˆ 1 = jωl1 I1 + jω L1L I = zˆ 11I1 + zˆ 1I, (3.) Uˆ = jω L L Iˆ + jωl Iˆ = zˆ Iˆ + zˆ Iˆ, 1 1 1 1-1 -
z tohoto vztahu (3.) lze dále odvodit kaskádní matici transformátoru, za předpokladu že známe převodní vztahy mezi kaskádními a impedančními parametry dvojbranu: aˆ 11 det aˆ 1 aˆ z ˆ11 =, z ˆ1 =, z ˆ1 =, z ˆ =, (3.3) aˆ ˆ 1 a ˆ 1 a ˆ 1 a1 tedy kaskádní matice transformátoru má tvar [7]: zˆ 11 det zˆ L1 0 zˆ 1 zˆ = = L 1 aˆ. (3.4) 1 zˆ 1 L zˆ 1 zˆ 1 jω L L 1L 1 Indukčnosti cívek L 1 a L jsou úměrné čtverci počtu závitů N 1 a N, stále předpokládáme nulový rozptyl proto platí: L1 1 1 a ˆ 11 = = n, aˆ = =, (3.5) L aˆ n kde N 1 n =, je převod transformátoru. (3.6) N Uvažujeme-li L 1 a L, například v důsledku vysoké magnetické permeability jádra transformátoru, dostáváme kaskádní matici ideálního transformátoru (schématická značka ideálního transformátoru je zobrazena na obr. 3.1.b): n 0 aˆ = 1, tedy dostáváme: (3.7) 0 n ˆ 1 U 1 = nuˆ, Iˆ ( ˆ 1 = I ). (3.8) n Ze vztahu (3.8) vyplývá, že napětí i proud se transformují se stejným převodem n. Ideální transformátor je reciprocitní prvek, protože determinant kaskádní matice je roven jedné ( det a ˆ = 1). Dále platí že Uˆ ˆ ˆ ( ˆ 1I1 = U I), což znamená, že výkon dodaný do vstupní brány ideálního transformátoru je roven výkonu odevzdanému do zátěže. V ideálním transformátoru se energie neztrácí a ani nevytváří, je to pasivní prvek. 11 Obr. 3.. Transformace impedance ideálním transformátorem - -
Pro výpočet vstupní impedance Ẑ vst ideálního transformátoru, zatíženého na výstupu impedancí Ẑ vyst (obr. 3..a) platí: Uˆ Uˆ Zˆ 1 vst = = n = n Zˆ vyst. (3.9) Iˆ Iˆ 1 Vstupní impedance je tedy přímo úměrná jeho výstupní zatěžovací impedanci. Přitom N1 konstanta úměrnosti je rovna čtverci převodu n =. N Pro výpočet výstupní impedance Ẑ vyst ideálního transformátoru, zatíženého na vstupu známou impedancí Ẑ vst (obr. 3..b) obdobně platí: Uˆ Uˆ Zˆ 1 1 1 vyst = = = Zˆ vst. (3.10) Iˆ n Iˆ n 1 Ideální transformátor transformuje impedanci se čtvercem převodu. Tato vlastnost transformátoru se využívá např. tehdy, potřebujeme-li přizpůsobit zátěž vnitřní impedanci zdroje, nebo např. pro měřící účely, kdy je zapotřebí přivést na přípravek požadovanou hodnotu impedance. Pro rovnice ideálního transformátoru byla použita řada předpokladů: reálná složka impedance primární a sekundární cívky je zanedbatelně malá proti příslušné reaktanci, rozptylový magnetický tok je zanedbatelný proti hlavnímu vazebnímu toku mezi cívkami, indukčnosti obou cívek jsou tak velké, že i na nejnižším kmitočtu, který při činnosti transformátoru musíme uvažovat, je vazební reaktance ω M >> nzˆ z, vlastní a vzájemné parazitní kapacity vinutí jsou tak malé, že i na nejvyšším pracovním kmitočtu jsou kapacitní proudy zanedbatelné proti proudům Î a Î. 1 Proto skutečný transformátor aproximuje vlastnosti ideálního transformátoru s dostatečnou přesností pouze v určitém relativně úzkém kmitočtovém pásmu. Nejpatrnější rozdíl je na kmitočtech blízkých nule, při kterých reálný transformátor není vůbec schopen činnosti. 3. Návrh transformátoru Navrhovaný transformátor má pracovat, v kmitočtovém pásmu cca od 1 khz až do 100 khz. A bude navrhován pro maximální napětí na primárním vinutí transformátoru U p-p max = 10 V. Zatížený transformátor je znázorněn na obr. 3.3., kde u 1 a u jsou primární a sekundární napětí, N 1 je počet závitů primárního vinutí, N počet závitů sekundárního vinutí, L 1 a L jsou indukčnosti primárního a sekundárního vinutí. - 3 -
Z Obr. 3.3. Zatížený transformátor Pro návrh určitého transformátoru je zapotřebí se držet níže uvedenými sedmi body návrhu, a to v udávaném pořadí [8]. Kdyby navržený transformátor nevyhovoval dalším podmínkám, lze se vrátit k bodu návrhu 3..c, kde zvolíme jiné jádro, popřípadě jiné rozměry okénka pro vinutí. a) Volba materiálu jádra transformátoru Dle požadovaného pracovního kmitočtu je vybírán vhodný materiál jádra. Dále se bere v úvahu vhodný tvar jádra a způsob vinutí. Materiálové vlastnosti jader transformátorů lze porovnávat např. dle hysterezní smyčky Magnetování feromagnetických materiálů probíhá podle křivky zvané hysterezní smyčka. Pro danou látku (materiál) udává závislost jejího zmagnetování, vyjádřenou magnetickou indukcí B na intenzitě H. Závislost lze zjednodušeně vyjádřit vztahem r r B = µ H, (3.11) ve kterém µ je součinitel charakterizující magnetické vlastnosti prostředí, ve kterém magnetické pole existuje. Jeho hodnota není konstantní, ale je závislá na velikosti intenzity magnetického pole v materiálu jádra. Proto B m b B B B m průběh závislosti B r b B na H po zapnutí proudu do vinutí je nelineární Hk B r H k a je dán křivkou prvotní magnetizace (čár- H H a) W a ~S a W b ~S b Obr. 3.4. Hysterezní smyčka feromagnetického materiálu a) magneticky tvrdý materiál, b) magneticky měkký materiál kované křivky v obr. 3.4). Nad bodem b dochází k saturačnímu jevu s maximální indukcí B m. Další zvyšování proudu není účelné, protože nepřispívá ke zvýšení magnetické indukce, v jádře se již více energie nenahromadí. Po přerušení proudu primárním vinutím se intenzita magnetického pole H sníží na nulovou hodnotu, ale magnetická indukce B jen na zbytkovou hodnotu B r, nazývanou b) - 4 -
remanentní indukce. Intenzita pole potřebná ke snížení této indukce na nulovou hodnotu se nazývá koercitivní síla H k. Materiál jádra by měl být pro splnění zadání z magneticky měkkého materiálu. Vychází se přitom z hysterezních ztrát v jádře. Tyto ztráty souvisejí s energií W potřebnou na přemagnetizování jádra. Energie je úměrná ploše hysterezní smyčky, naznačena na obr. 3.4. Plocha hysterezní smyčky má fyzikální rozměr J/m 3, jedná se tedy o objemovou hustotu ztrátové energie. Ta je pak značně větší pro materiály magneticky tvrdé, které mají širokou hysterezní smyčku, jak je patrno z obr. 3.4.a. Proto materiály magneticky tvrdé nejsou pro jádra transformátoru moc vhodná. Naopak jsou požadovány materiály magneticky měkké, s co nejužší hysterezní smyčkou a s co nejmenší remanentní indukčností B r, jak je znázorněno na obr. 3.4.b. A měrný odpor R v materiálu jádra musí být co největší [8]. Další požadavek na jádro transformátoru je co nejvyšší dovolené sycení (tedy hysterezní smyčka má být úzká a vysoká), abychom mohli volit co nejmenší počet závitů při konstrukci transformátoru. Vlastnosti magneticky měkkých materiálů jsou více či méně závislé na kmitočtu magnetovacího proudu, tedy na pracovním kmitočtu. Velmi závislá je např. permeabilita nebo ztráty. Pro vysokofrekvenční aplikace je vhodné volit takové materiály a uspořádání magnetických obvodů, které mají v této kmitočtové oblasti výhodné vlastnosti. Navrhovaný transformátor má pracovat ve frekvenčním pásmu od 1 khz až do 100 khz, proto za materiál jádra nebude použito magneticky měkké oceli, jak je tomu u síťových transformátorů. Tento materiál má pro navrhované transformátory malý měrný odpor R v, a tedy vířivé ztráty by byly v tomto případě neúnosné. Bude výhodnější použít magneticky měkký ferit, který má velký měrný elektrický odpor. Tento materiál má i příznivě úzkou hysterezní smyčku, tedy malé hysterezní ztráty. Jedna z nevýhod je malé maximální dovolené sycení (typicky 0,3 T až 0,35 T). Další z nevýhod je nízká teplota Curieova bodu. Obecně pod pojmem ferity rozumíme skupinu elektromagnetických materiálů keramického charakteru se spinelovou strukturou. Spinelová mřížka je tvořená kombinací iontů oxidu železitého a ionty oxidů dusíku dvojmocných kovů (Mn, Ni, Zn, Mg atd.). Silové pole primárního vinutí je tvořeno magnetickými siločarami, které jsou uzavřené. U cívky jsou soustředěny uvnitř vinutí. Podle směru toku proudu vinutím z jednoho konce vinutí vystupují a do druhého vstupují. V případě rovnoměrného navinutí cívky po celé ploše toroidního jádra se tyto siločáry uzavírají uvnitř toroidního (prstencového) jádra a nevystupují z něho ven. Počet těchto siločar procházejících plochou uvnitř vinutí, kolmou na jeho osu, je nazýván magnetickým indukčním tokem Φ. Magnetická indukce B je tok připadající na jednotku této plochy. Mezi magnetickým tokem Φ a proudem I, procházejícím vinutím cívky a vytvářejícím magnetické pole, je závislost daná vztahem Φ = L I, (3.1) ve kterém je L indukčnost cívky. Ta je závislá na konstrukci cívky a na permeabilitě µ jádra. b) Vypočtení maxima funkce časového integrálu primárního napětí Časový interval primárního napětí je dán vztahem: - 5 -
U1 cos(πft) u1 ( t) dt =, (3.13) π f kde U 1 je primární napětí transformátoru (dále uvažujme maximální primární napětí U 1 = 10 V), f je frekvence protékajícího proudu vinutím. Pro maximum tohoto integrálu platí (amplituda sdruženého magnetického toku): U1 max u1 ( t) dt =, (3.14) π f při dosazení do tohoto vztahu (3.14) vychází maximální napětí U1 10 3 max u1( t) dt = = = 1,59155 10 V při frekvenci f=1 khz a pro 3 π f (π 1 10 ) 6 frekvenci f=100 khz je vztah roven: max u1( t) dt = 15,9155 10 V. c) Velikost jádra V prvním kroku lze volit velikost jádra zkusmo např. dle vztahu (3.15). Na konci návrhu poznáme, zda-li byla velikost jádra zvolena dobře, či nikoli. Pokud byla zvolena špatně je nutné se vrátit zpět do tohoto bodu návrhu. Pmax = f S S 0, (3.15) kde S je průřez jádra, S 0 je průřez okénka pro vodič, f je max. frekvence. d) Výpočet počtu primárních závitů Počet primárních závitů lze obdržet pomocí vztahu (3.16). Pro manuální výrobu je vhodné dosáhnout rozumných hodnot počtu závitů, vhodně zvoleným typem a velikostí jádra. U U 1 1ef N1 = =, (3.16) πf Bm S πf Bm S kde B m je maximální dovolené sycení jádra (aby nedošlo k přesycení), do vztahu se dosazuje nejnižší frekvence pracovního pásma, ve kterém má navrhovaný transformátor pracovat, tady frekvence f = 1 khz. e) Výpočet počtu sekundárních závitů Dle požadovaného impedančního převodu je vypočten počet závitů sekundárního vinutí, a to podle vztahu (3.17), který vychází ze vztahů (3.9) a (3.10). Zvyst. N = N1, (3.17) Zvst. kde Z vyst je požadovaná výstupní impedance transformátoru a Z vst je impedance připojená ke vstupním svorkám transformátoru. Obecněji lze počet sekundárních závitů vypočítat na základě požadovaného výstupního napětí, a to pomocí vztahu: u N1 N =, (3.18) u1 kde u je výstupní napětí, u 1 je vstupní napětí. - 6 -