1 Componente i circuite pasive - CCP Cursul 10 2 Cuprins Bobine Scurt istoric Proprieti electrice Elementele constructive ale unei bobine Parametri Categorii Transformatoare 3 Bobina istoric 1821 - Michael Faraday pune n eviden liniile de cmp magnetic ce apar n jurul unui conductor parcurs de curent electric. 1825 - William Sturgeon construiete primul electromagnet 1831 independent Michael Faraday i Joseph Henry descoper legea induciei magnetice. Faraday a construit apoi primul motor electric, primul generator electric i primul transformator. Henry este cel care construiete primul telegraf mbuntit apoi de Morse 1876 Bell inventeaz primul telefon i phonograf electromagnetic 4 Proprieti electrice Inductana este dependent de geometria bobinei i de proprietile magnetice ale mediului n care acesta este plasat. Formula (1) este valabil pentru o lungime l a bobinei mai mare dect diametrul acesteia 2rc. Formula (2) este valabil pentru o lungime l a bobinei mai mic dect diametrul acesteia 2rc. Mrimea rw reprezint diametrul firului de bobinaj. ) 1 () (220Henrieslr NL ct =) 2 ( } 2 )8{ln(20 ~wccrrr N L ] [ 10 41 1 70 = m A Wb t 20 NlAL r = 5 Proprieti electrice Inductana este dependent de geometria bobinei (l, d=2r, h n mm). Formulele sunt valabile n aer liber. ] [44 , 0001 , 02Hdld NL+=] [10 9 3008 , 02 2Hh l dd NL+ +=6 Proprieti electrice Inductana este dependent de distana dintre spire. Inductana este dependent de proprietatea magnetic a mediului n care se afl bobina caracterizat de permeabilitatea magnetic, . aer 1.257x10-6 H/m ferit U M33 9.42x10-4 H/m nichel 7.54x10-4 H/m fier 6.28x10-3 H/m ferit T38 1.26x10-2 H/m oel 5.03x10-2 H/m supermalloy 1.26 H/m 7 Bobina - circuit echivalent p p p2pLC R j LC 1L j RZe + e e +=8 Bobina - caracteristica de frecven 10%10%zona inductivapRQ Rp ep0LC1= e03 , 0 e LR 2 , 2 pL eC1eLZ9 Dimensionarea inductivitii la ndeprtarea spirelor ] H [ 10 D N k L 7m = AL L L 0 1 A =] H [ 10D 45 , 0 l) ND (L 720 +t=ldpD024681 2 3 4p/dkm10 Deducerea valorii pentru capacitatea parazit Cp[pF]p/d1 1,3 1,5 1,7 2 2,5 3 3,5 40,50,7123571020301,1D=10cmD=8cmD=6cmD=4cmD=2cm11 Etapele proiectrii unei bobine Se pornete de la valoarea dorit pentru inductan L, diametrul ei D i de la domeniul n care dorim utilizarea ei. Rezult valoarea maxim admis pentru Cp. Se calculeaz numrul de spire n funcie de dimensiunile geometrice ale bobinei prin rezolvarea ecuaiei alturate. ND kdpDdND NLk d pLCD Lmmp1 , 01 44 , 0] [/1, ,220max0|.|

\| + += =Hee Dimensionai lungimea unei bobine cu diametrul de 2 cm i inductivitatea de 50 H ce se execut ntr-un singur strat i pentru care se dorete o capacitate parazit mai mic de 2 pF. 12 Elementele constructive ale unei bobine nfurarea (spirele) Carcasa Materialul de impregnare Miezul Far miez Miez de fier Miez de ferit 13 nfurarea bobinei Materialul cel mai des utilizat pentru conductoarele de bobinaj este cuprul (datorit proprietilor sale electrice i mecanice) i mai rar aluminiul. Conductoarele utilizate sunt izolate pentru a evita scurtcircuitele dintre spirele alturate. Materialele utilizate pentru izolare sunt emailuri (lacuri cu diferite compoziii), fibre textile (mtase, bumbac) sau fibre anorganice (fibr de sticl). Tipul de material izolant se alege n funcie de temperatura la care se estimeaz ca va ajunge conductorul. Materilalele cel mai puin rezistente termic sunt cele textile, iar cele mai rezistente sunt fibrele de sticl. 14 nfurarea bobinei Diametrul conductorului se alege n funcie de dou criterii: Intensitatea curentului ce trece prin conductor, limiteaz inferior acest diametru pentru a evita nclzirea excesiv. Valoarea maxim acceptat pentru rezistena bobinei (parametru parazit) poate limita suplimentar dimensiunea diametrului. La frecvene nalte, datorit efectului pelicular, se utilizeaz conductoare liate (mnunchiuri de fire foarte subiri) sau conductoare de cupru argintate. Conductoarele pentru bobinaj sunt livrate de productori avnd diametre cu dimensiuni standardizate: 0,05mm, 0,07mm, 0,1mm, ... 2mm. Aceste diametre nu includ i grosimea stratului izolator. 15 Carcasa bobinei Are rolul de a asigura rigidizarea bobinajului (i prin acesta pstrarea proprietilor electrice ale bobinei). Materialele utilizate trebuie s prezinte proprieti adecvate att electrice (rigiditate dielectric, pierderi dielectrice reduse) ct i mecanice (stabilitate termic i la aciunea umiditii). Exemple n ordinea crescnd a performanelor: carton electroizolant, pertinax, textolit, materiale termorigide (bachelita), materiale termoplastice (polistiren, polietilen, teflon), materiale ceramice. Geometric ele pot fi cu seciuni diferite: circular, ptrat, dreptunghiular; cu sau fr flane. La foarte nalt frecven bobinele pot fi realizate fr carcas. 16 Materialul de impregnare Are rolul de a crete protecia mpotriva umiditii i pentru o rigidizare suplimentar (mai ales cnd nu sunt dispuse pe carcase). Avantajele imprgnrii: Rigidizeaz nfurrile; mbuntete disiparea de cldur; mbuntete proprietile dielectrice ale izolaiei ntre spire; Evit ptrunderea umezelii ntre spire; Dezavantajele impregnrii: poate conduce la creterea capacitilor parazite (prin creterea permitivitii relative a dielectricului dintre spire). 17 Miezul bobinei Pentru a mri inductana obinut se introduc miezuri magnetice n interiorul bobinei. Ele alctuiesc un circuit magnetic (uneori cu ntreruperi) care are calitatea de a concentra liniile cmpului magnetic. n felul acesta fluxul magnetic crete, majoritatea liniilor intersectnd suprafaa spirelor, i asfel crete i inductana bobinei. Materialele magnetice se comport neliniar atunci cnd sunt plasate ntr-un cmp magnetic exterior. Aceast neliniaritate se refer la dependena induciei magnetice B de intensitatea cmpului magnetic H. Raportul celor dou mrimi reprezint permeabilitatea magnetic a mediului respectiv: HBHBr01; = =18 Proprietile materialelor magnetice fenomenul de histerezis Hc cmp coercitiv, anuleaz inducia magnetic; Br inducia magnetic remanent Hs intensitatea cmpului magnetic la care apare fenomenul de saturaie; Bs inducia magnetic la satuarie HBHsBsBmHmHc-Hc-Hm-HsBr-Br-Bm-Bs019 Proprietile materialelor magnetice fenomenul de histerezis Materialele magnetice au atomi cu un moment magnetic propriu, iar momentele atomice vecine se orienteaz identic, materialul prezentnd o magnetizare remanent. La aplicarea unui cmp exterior apare o reorientare a domeniilor magnetice. Intensitatea cmpului exterior la care inducia magnetic se anuleaz se numete cmp coercitiv.La creterea lui H la un moment dat apare fenomenul de saturare (B nu se mai modific). Fenomenele sunt dependente de sensul n care se modific cmpul magnetic (histerezis). Magnetizarea remanent se manifest pn la o anumit temperatur (temperatur Curie) la care agitaia termic distruge domeniile de orientare ordonat. 20 Utilizarea materialelor magnetice Clasificare: Materiale magnetice moi Hc80 A/m (histerezis lat) Materialele magnetice moi cu raprtul Br/Bm (raport ce caracterizeaz nclinaia histerezei)