MOT - Microwave Oven Transformer

MOT
      17.12.2008 Jak už anglický název napovídá, jedná se o transformátor používaný v mikrovlnných troubách pro napájení magnetronu - elektronky generující mikrovlnné záření (2,45 GHz, šířka pásma desítky MHz) pro ohřev jídla. Vzhledem k současné velké rozšířenosti mikrovlnných trub v domácnostech (a ve sběrných dvorech či u popelnic ;) se pro bastlíře a radioamatéry stává MOT asi nejdostupnějším výkonným zdrojem vysokého napětí (např. pro VTTC nebo lampové vysílače a zesilovače). Po převinutí sekundáru může dobře posloužit i jako nízkonapěťový zdroj velkých proudů třeba pro malou svářečku nebo žhavení velkých elektronek. Zde je typické zapojení mikrovlnné trouby:

MO schematics

      Podívejme se na MOT trochu podrobněji. Jedná se o transformátor s feromagnetickým jádrem složeným z E-I plechů pro výkony kolem 1 kVA. Sekundární napětí bývá typicky 2,0 - 2,3 kV a ještě je zde pomocné vinutí 3,6 V pro žhavení magnetronu. Jeden vývod sekundáru je obvykle spojen s jádrem MOTu a tedy se zemí. Papundeklová izolace mezi vinutím a jádrem nepůsobí zrovna důvěryhodně, ale prakticky je vyzkoušeno, že lze zapojit 2 až 3 MOTy do série, nikdo to ovšem nezaručí. Na první pohled tady ale něco nehraje - ano velikost trafa je vzhledem k výkonu neúměrně malá (na fotce je zrovna nejmenší MOT z mojí sbírky). Odpověď je jednoduchá - MOT není určen pro trvalý provoz. Je navržen tak, aby pracoval na hranici svých možností, po dobu několika málo desítek minut a za pomoci aktivního chlazení. To umožňuje výrazně zlevnit výrobu a snížit hmotnost přístroje. Např. u zmiňovaného trafa je průřez středního sloupku 20,5 cm2. Primární vinutí má 280 závitů hliníkového drátu průměru 0,8 mm (ano, opravdu u novějších MOTů je primár většinou z hliníku, který má asi 1,6x větší rezistivitu než měď). Z toho vychází maximální sycení jádra 1,76 T, přičemž u železa se doporučuje max. 1,2 T. Při saturaci dochází k výraznému poklesu indukčnosti a tím zvýšení primárního proudu, jak je pěkně vidět na prvním oscilogramu níže. Další pro mě trochu nepochopitelnou konstrukční specialitou MOTů je svaření E-I plechů, čímž se uzavírá smyčka pro vířivé proudy, které dále ohřívají jádro. Když se MOT nechá hodinu zapnutý bez zátěže, tak se na něm skoro nedá udržet ruka. Ale asi by bez této úpravy trafo příliš bručelo. Zde jsou pro ilustraci naměřené hodnoty odebíraného výkonu a proudu (RMS) na prázdno 5 vybraných MOTů při síťovém napětí 230 V (VFe je brutto objem jádra V x Š x H a SFe je průřez středního sloupku jádra):

primár VFe [cm3] SFe [cm2] P0 [W] S0 [VA] I [A] cos(Φ)
Cu 693 20,1 85 943 4,10 0,09
Cu 687 25,5 54 649 2,82 0,08
Al 582 21,7 65 793 3,45 0,08
Cu 574 22,9 65 683 2,97 0,09
Al 427 20,5 55 683 2,97 0,08

      Dalším rozdílem oproti normálním transformátorům je vložení železných magnetických bočníků do magnetického obvodu jádra, podobně jako u rozptylových transformátorů pro neony (NST), přes které prochází určitá část primárního magnetického toku, která se tak nedostane do sekundáru.

MOT magnetic shunts

MOT-náhradní obvod

Tím se zvětší rozptylové indukčnosti Lr1, Lr2 a proud je tak omezen. Při zkratu MOT ani nevyhodí jističe. Na sekundáru tohoto MOTu jsem naměřil zkratový proud 1,7 A a na primáru 18 A. Tomu odpovídají proudové hustoty 24 resp. 36 A/mm2. Při takových proudech by ale MOT během chvíle shořel. Po odstranění magnetických bočníků lze očekávat zvýšení zkratového proudu a patrně i výpadek jističe. Ještě doplním hodnoty stejnosměrného odporu a indukčností vinutí při nepatrném sycení (změřené dig. RLC můstkem): Rpri = 2,2 Ω, Rsec = 176 Ω, Lpri = 350 mH, Lsec = 28,5 H, vzájemná indukčnost M = 2,54 H a z toho vychází činitel vazby k = 0,81. Při plném zatížení a velkém sycení boudou indukčnosti samozřejmě menší.
      Při provozu dvou MOTů s paralelně spojenými primáry a sériově spojenými sekundáry jsem se setkal s problémem občasných výpadků 15A jističe při zapnutí. Síťové trafo si totiž při zapnutí může vzít poměrně velkou proudovou špičku, která se odvíjí od okamžitého napětí v síti v době připojení trafa a remanentní indukce. Zjednodušeně řečeno, při připojení v maximu síťového napětí (proud a magnetický tok je zpožděn o 90°) je špička celkem nevýrazná, zato při připojení v nule dosahuje asi 10-ti násobku oproti ustálené hodnotě (viz. 4. a 5. oscilogram). Problém nastává už při předchozím vypnutí trafa, kdy v jádře zůstane remanentní magnetický tok, který se pak přičte k toku vyvolaným primární cívkou a dojde tak k přesycení jádra, poklesu indukčnosti a vzrůstu proudu. Na webu jsem našel jednu disertační práci, která se problematikou přechodového děje při zapnutí transformátoru zabývá velice podrobně. Autor zde publikuje i návrh chytrého soft-start obvodu s triakem řízeným MCU, který postupně zvětšuje úhel otevření tak, aby došlo k co nejrychlejšímu zapnutí na plný výkon a přitom bez proudového nárazu.
      V amatérské praxi ale většinou postačí i jednodušší zapojení. V mikrovlnkách se např. používá obvod, který MOT zapne přes výkonový odpor, jenž se po krátkém okamžiku přemostí relátkem. Další možností je použití nelineárního odporu - termistoru NTC (Negative Temperature Coefficient). Ten má za studena poměrně velký odpor, který prudce klesá s teplotou. Při zapnutí trafa, pokud je termistor studený, tak dojde k omezení náběhového proudu. Termistor se potom provozním proudem ohřeje natolik, že sníží svůj odpor a nepůsobí velké ztráty. V GMu jsem koupil velký 7,5A NTC, který sice proudovou špičku znatelně omezil (viz. 6. oscilogram), ale při zatížení MOTu se z něj už kouřilo a to se mi moc nelíbilo. Navíc takový velký termistor trpí z principu poměrně velkou tepelnou setrvačností, kdy je schopen účinně omezovat proud až po opětovném vychladnutí, a to může trvat několik minut. Ve zmiňované disertační práci mě také zaujala jednoduchá metoda omezení náběhového proudu pomocí paralelně připojeného kondenzátoru (může snížit impuls max. o 40%). Kondenzátor by měl při vypnutí díky zakmitání primárního proudu snížit remanentní indukci a tím i proudovou špičku při dalším zapnutí. V praxi jsem ale moc velké zmenšení proudové špičky nezaznamenal. Vyzkoušel jsem to s několika kondenzátory v rozsahu 0,1 - 10 µF (viz. oscilogramy 7, 8, 9) a s větší kapacitou to bylo spíše horší. U tohoto obvodu také závisí na tom, jaký je odebíraný proud ze sekundáru v době vypnutí (já jsem měřil s výstupem na prázdno). Při praktickém testu na 2 MOTech a regulačním autotransformátoru Křižík 2,2 kVA se mi nepodařilo žádným kondenzátorem zapínací proud dostatečně snížit a po několika desítkách zapnutí vždy došlo k výpadku jističe. Asi se poohlédnu po nějakém vhodném upgradu jističe ;)

U, I bez zátěže
pimární napětí a proud bez zátěže

U indukované ve smyčce bez zátěže
napětí indukované ve smyčce poblíž jádra, bez zátěže

U, I se zátěží (výbojka)
pimární napětí a proud při zátěži (2kW výbojka)

zapínací proud v Umax
zapínací proud při zapnutí v maximu síťového napětí

zapínací proud v nule
zapínací proud při zapnutí v nule

zapínací proud v nule-NTC
zapínací proud v nule s termistorem NTC v sérii

zapínací proud (skoro) v nule-C 1 uF
zapínací proud (skoro) v nule s paralelním kondenzátorem 1 µF

zapínací proud (skoro) v nule-C 2 uF
zapínací proud (skoro) v nule s paralelním kondenzátorem 2 µF

zapínací proud v nule-C 10 uF
zapínací proud v nule s paralelním kondenzátorem 10 µF



Zpět

Aktualizováno 10.8.2010 v 1:47

„Bůh stvořil člověka, ale nedal si to patentovat, a tak to teď po něm může dělat kdejakej blbec.“ Jan Werich