Induktiva komponenter

Spole/Induktor

Den enklaste formen av spole är lindad koppartråd, som är lackisolerad så att det inte uppstår elektrisk kontakt mellan lindningsvarven. När koppartråden leder ström omges den av ett elektriskt- och ett magnetiskt fält.  När växelström skickas genom spolen så kommer spolen att bygga upp ett varierande magnetfält. Fältet motverkar förändringar i strömmen enligt Lentz lag.  Oftast är koppartråden lindad runt en järnkärna eller bobin för att stärka fälten. Ju fler varv som lindats, desto högre induktans. Induktansen mäts i Henry, som är en stor enhet, därför används oftast mH och μH.  En spoles impedans mäts i ohm, och är ett mått på motståndet mot en växelström. Ju högre frekvens som växelströmmen har, desto högre blir impedansen.

Transformator

Den enklaste transformatorn består av en primärspole och en sekundärspole som delar en gemensam kärna. När en växelström flyter genom en av lindningarna så uppstår ett magnetfält som växlar hela tiden. För att öka spänningen ska sekundärspolen ha fler varv än primärspolen. För att minska ska sekundärspolen ha färre varv än primärspolen. Många transformatorer har flera sekundärlindningar. Tre vanligt förekommande kärnor är C-kärna, E-kärna och toroidkärna. E-kärnan har fördelen att den är lätt att använda i högt automatiserad produktion och transformatorn blir därför billigare. Toroidkärnan har mycket lite läckage och därmed hög verkningsgrad.

Gate-transformatorer och pulstransformatorer
I ett switchat nätaggregat så hackas den inkommande spänningen upp av en transistor så att en serie pulser skapas. Med hjälp av kondensatorer och andra kringkomponenter gör man likspänning av pulserna. Pulsbredden kontrolleras med en eller flera återkopplingsslingor beroende på belastning. Högre switchfrekvens resulterar i fysiskt mindre induktiva komponenter.
 
Tyristorer, MOSFET’ar, IGBT’ar eller TRIAC-halvledare utför själva switchningen i switchade nätaggregat. MOSFET-transistorns tre anslutningar heter ”gate”, ”drain” och ”source”. Strömkanalen går mellan drain och source, medan gate styr kanalen. På svenska kallas gate också för styre.  Gate-drivtransformatorer levererar en spänningsimpuls eller en serie spänningsimpulser till gate-benet. Gate-drivtransformatorn som fungerar på detta sätt kan också kallas en pulstransformator. Pulstransformatorn är optimerad för att överföra en rektangulär elektrisk puls, det vill säga pulser med snabb stig- och falltid med relativt konstant amplitud. Ibland ersätts pulstransformatorn med en optokopplad IC-kretsen. IC-kretsen kan ytmonteras och den har ingen undre gränsfrekvens tillskillnad från pulstransformatorer.
 
Switchning av höga spänningar och strömmar kräver galvanisk isolation mot styret på transistorn. Olika standarder definierar krypavstånd och tålighet mot partiell urladdning. För att förbättra isolationen används ofta en gjutmassa. Om gjutmassan innehåller luftbubblor så kan en spänningspotential på ena sidan bubblan och en annan potential på andra sidan orsaka ett överslag, som gör att den isolerande gjutmassan går sönder. Ibland inträffar överslaget efter lång tid i drift. Risken för partiell urladdning ökar med switchfrekvensen. Därför är det viktigt att massan gjuts under vakuum så att inga luftbubblor uppstår.

Transformatorer i switchad kraft
Fyra omvandlingstopologier som dominerar inom switchad kraft är buck, boost, flyback och forward. Buck används för att transformera ned spänningen. Boost skapar en inspänning högre än inspänningen. Buck och boost omvandlare är baserade på spolar och är därför inte isolerade. Flyback och forward topologierna innehåller transformatorer och används därför i isolerade omvandlare.
 
Forward-topologin är en vidareutveckling från buck-topologin. I transformatorn kan spänningen transformeras upp eller ner beroende av lindningsförhållandet. Det är möjligt att konstruera en forward omvandlare med endast en transistor som levererar flera hundra watt. Pulskvoten måste vara mindre eller lika med 0,5 och transistorns genombrottsspänning måste var större eller lika med dubbla inspänningen.  Forward-omvandlare av denna typ kräver en liten kärna med luftgap och väldigt bra magnetisk koppling. Forward omvandlare med två transistorer kan leverera några kW. De har samma krav på pulskvot och genombrottsspänning men transformatorn ska ha en liten kärna utan luftgap.
 
Flyback är en buckboost-variant som kan reglera upp och ner spänningen. I flyback-topologin utnyttjas transformatorns magnetiska lagringsegenskaper. I en flyback-omvandlare regleras flera isolerade utspänningar med samma krets. Inspänningsområdet är flexibelt, det går att ha 85 till 270V AC inspänning. Effekter upp till några hundra Watt är möjliga. Transistorns genombrottsspänning måste var större eller lika med dubbla inspänningen. Tekniken kräver en stor kärna med luftgap och god magnetisk koppling.

Comptronic AB       Telefon: 08-564 706 70       E-post: mailbox@comptronic.se       Adress: Stormbyvägen 2-4, 163 55 Spånga       Öppettider: må–fr: 08.30–17.00