Elementy indukcyjne w układach zasilających

Filtry wejściowe

Układy filtrów wejściowych służą do odizolowania układu zasilanego oraz sieci energetycznej od źródeł zakłóceń przewodzonych. Ponieważ zakłócenia mogą pochodzić zarówno z sieci energetycznej, jak i z układu zasilanego lub wręcz z samego układu zasilającego (zasilacza), filtr wejściowy musi zapewnić wytłumienie tych zakłóceń bez względu na ich źródło.

Podstawowym elementem filtra wejściowego jest zazwyczaj dławik skompensowany (common mode choke - CMC). Dławik taki składa się z rdzenia z materiału magnetycznego o dużej przenikalności oraz dwóch uzwojeń o identycznej liczbie zwojów. Jest on włączony w układ zasilania w szereg, w ten sposób, aby prąd roboczy płynący przez jedno uzwojenie i powracający drugim uzwojeniem generował wzajemnie kompensujące się pole magnetyczne.

Dla prądu roboczego dławik skompensowany stanowi nieistotną przeszkodę, sprowadzającą się do jego rezystancji oraz znikomej indukcyjności rozproszenia. Dla przebiegów szybkozmiennych, pojawiających się równocześnie na obu przewodach wejściowych (tzw. zakłócenia wspólne) dławik skompensowany stanowi przeszkodę trudną do przejścia.

Do tłumienia zakłóceń pojawiających się tylko na jednym przewodzie używamy dławików różnicowych (differential mode choke - DMC) - są to klasyczne dławiki z jednym uzwojeniem, nawijane zazwyczaj na rdzeniach proszkowych toroidalnych lub na rdzeniach ferrytowych otwartych (walcowych lub szpulkowych).

Transformatory

Transformatory w układach zasilających pełnią funkcję zarówno urządzeń zapewniających izolację galwaniczną, jak i dopasowują poziomy napięć wyjściowych do potrzeb. Transformatory w klasycznych układach zasilania mają rdzenie wykonane z blach ze stali elektrotechnicznej. W transformatorach w układach impulsowych (przetwornicach) używamy rdzeni z materiałów ferrytowych, które mogą pracować przy częstotliwościach setki, a nawet tysiące razy wyższych niż klasyczne transformatory sieciowe dzięki czemu do przeniesienie podobnej mocy potrzeba znacznie mniejszego, lżejszego i - co najważniejsze - tańszego transformatora.

W układach zasilania oprócz transformatorów mocy używa się transformatorów sterujących, umożliwiających sterowanie np. tranzystorami mocy, działającymi na różnych potencjałach względem kontrolera. Jeszcze inną kategorią są transformatory układów zasilania pomocniczego (np. układów zasilania standby), choć zazwyczaj pracują one w topologii flyback i tak naprawdę są dławikami mocy.

Dławiki mocy

W klasycznych układach zasilania pasożytnicze rezystancje i impedancje transformatora sieciowego wystarczają w zupełności do ograniczenia wielkości prądów szczytowych występujących w układach i elementach. W przypadku impulsowych układów zasilania, aby uniknąć bardzo wysokich prądów przeciążających elementy zarówno bierne, jak i czynne, korzystamy z możliwości magazynowania energii w dławikach mocy.

Dławiki mocy są zazwyczaj dławikami z jednym uzwojeniem, nawijanym albo na rdzeniu proszkowym (rdzenie ze szczeliną rozproszoną), albo na rdzeniu ferrytowym ze stosunkowo dużą szczeliną powietrzną. Rdzeń w takim dławku służy ukierunkowaniu pola magnetycznego, energia natomiast jest gromadzona w polu magnetycznym w szczelinie powietrznej (rzeczywistej lub rozproszonej w materiale rdzenia).

Do niedawna podstawowym materiałem stosowanym w rdzeniach proszkowych było sproszkowane żelazo, obecnie są używane proszki ze stopów wielu metali, które lepiej pracują przy wyższych częstotliwościach. Najpopularniejszym materiałem na dławiki mocy jest Sendust, produkowany również pod innymi nazwami handlowymi jak KoolMμ czy SuperMSS.

Szczególnym przypadkiem dławików mocy są dławiki aktywnych układów PFC (Power Factor Correction). Układy te zapewniają zgodność z normą EN 61000-3-2, która jest wymagana w coraz większym obszarze zastosowań - szczególnie w oświetleniu (od mocy 25 W - sprzęt klasy C) oraz sprzęcie komputerowym czy telewizorach (od mocy 75 W - sprzęt klasy D).

Dławiki te zazwyczaj podlegają znacznie większemu obciążeniu składową szybkozmienną niż typowy dławik wyjściowy. Dlatego najczęściej nawijane są licą złożoną z cienkich drutów izolowanych - aby ograniczyć straty związane ze zjawiskiem naskórkowości (skin effect) oraz efektem zbliżeniowym (proximity effect), które znacząco zwiększają rezystancję przewodu nawojowego.

Filtry wyjściowe

Układy zasilane często wymagają zasilania pozbawionego zakłóceń i pulsacji pochodzących z zasilacza. W takim wypadku często stosuje się dodatkowy stopień filtrowania, tworzący razem z kondensatorem wygładzającym tzw. filtr typu Π (pi). Składa się on z dławika mocy o stosunkowo małej indukcyjności, wykonanego często jako dławik z otwartym obwodem magnetycznym (koralik ferrytowy, dławik szpulkowy, dławik walcowy) oraz dodatkowego kondensatora wygładzającego o pojemności zazwyczaj kilkakrotnie mniejszej od pojemności pierwszego kondensatora.

Dodatkową zaletą filtra typu Π jest zmniejszenie łącznej pojemności wygładzającej, co poprawia łączną charakterystykę częstotliwościową pętli sprzężenia zwrotnego oraz odpowiedź impulsową zasilacza (reakcję na szybką zmianę obciążenia).

Roman "RoMan" Mandziejewicz
Feryster
www.feryster.pl