Transformatory

Transformator, urządzenie elektrotechniczne służące do przenoszenia energii elektrycznej prądu zmiennego drogą indukcji z jednego obwodu elektrycznego do drugiego. Transformator zbudowany jest z dwóch cewek (uzwojeń) nawiniętych na wspólny rdzeń.
Zmiany strumienia magnetycznego stowarzyszonego z prądem płynącym przez pierwszą cewkę (tzw. uzwojenie pierwotne) indukują przepływ prądu elektrycznego w drugiej cewce (tzw. uzwojeniu wtórnym). Głównym parametrem użytkowym transformatora jest tzw. przekładnia, czyli stosunek liczby zwojów w uzwojeniu pierwotnym n1 do liczby zwojów w uzwojeniu wtórnym n2.
Dla idealnego transformatora, przy założeniu stuprocentowej sprawności transformacji energii, tj. gdy
U1I1 = U2I2
(gdzie: U1 - napięcie w uzwojeniu pierwotnym, I1 - natężenie prądu w uzwojeniu pierwotnym, U2, I2 - analogiczne wielkości dla uzwojenia wtórnego), napięcie i natężenie prądu w uzwojeniu wtórnym określone jest przez równanie:
U1/U2 = n1/n2 = I2/I1.
W przypadku transformatorów rzeczywistych równanie to spełnione jest w dobrym przybliżeniu dla typowej częstości użytkowego prądu zmiennego (50 Hz). Dla częstości wysokich nie jest ono spełnione, gdyż ze względu na wzrost znaczenia ubocznych efektów (np. upływności przez tzw. pojemności międzyzwojowe) maleje sprawność transformatora.
Zobacz również


Transformator składa się w swojej najprostszej formie z żelaznego rdzenia z nawiniętymi dwoma uzwojeniami. O ile prąd w w uzwojeniu pierwotnym ma kształt sinusoidy, również strumień magnetyczny w rdzeniu będzie się zmieniał według tej krzywej. Zmiany strumienia indukują w uzwojeniu wtórnym napięcie również o kształcie sinusoidy. W przypadku, gdyby strumień nie zmieniał się w czasie, to napięcie w uzwojeniu wtórnym nie mogłoby być indukowane. Inaczej mówiąc - transformator nie przenosi prądu stałego.

Z tego prostego opisu widzimy, że transformator ma dwa zadania:

Przeniesienie napięcia zmiennego z uzwojenia pierwotnego do wtórnego, przy jednoczesnym oddzieleniu galwanicznym strony pierwotnej od wtórnej.

Transformacja (=przenoszenie, przetwarzanie) napięcia zmiennego na napięcie o podobnym przebiegu czasowym ale i innej wartości. Zależność tą można opisać przy pomocy prostego wzoru:








gdzie:
Up = napięcie pierwotne
Uw = napięcie wtórne
np = liczba zwojów w uzwojeniu pierwotnym
nw = liczba zwojów w uzwojeniu wtórnym.

Transformator sieciowy jest przykładem transformacji jednej wartości napięcia zmiennego na inną, np. 230 V na 11 V. Moc przenoszona przez transformator ulega zmniejszeniu o wartość strat. Ponieważ moc jest iloczynem wartości napięcia i natężenia prądu, więc w przykładowym transformatorze przy poborze 1 A po stronie wtórnej co najmniej 0,05 będzie przepływać po stronie pierwotnej.

Transformator jest obliczany na pewną maksymalną moc, której nie wolno przekraczać. Oznacza to, że rezystancje uzwojeń muszą być wystarczająco niskie, aby nie dawały zbyt dużych spadków napięcia. Oznacza to także, że rdzeń transformatora musi mieć wystarczającą wielkość aby nie był nasycany. Wielkość ta decyduje nie tylko o przenoszonej mocy, ale również o częstotliwości pracy. Ogólnie, im mniejsza częstotliwość przenoszona, tym większy rdzeń jest niezbędny.

Rdzeń nie może stanowić jednolitej masy, ponieważ prądy wirowe, które w takim przypadku powstają, powodują duże straty. W związku z tym używa się blach transformatorowych, które są układane w pakiet blaszek, wzajemnie od siebie odizolowanych. Są one często wycinane w formie liter E i I. Tworzą w ten sposób rdzeń EI, w którym uzwojenie umieszczone jest w środku, aby uzyskać możliwie duże pole magnetyczne.

P pewnych zastosowaniach strumień rozproszenia może być krytyczny. Dotyczy to np. wzmacniaczy Hi - Fi i urządzeń pomiarowych, w których pole indukuje przydwięk sieci. W takich wypadkach lepszym rozwiązaniem są transformatory o rdzeniu toroidalnym, ponieważ dają one bardzo małe rozproszenie. Właściwością rdzeniu toroidalnych jest to, że prądy załączenia są większe niż w transformatorach o rdzeniu IE. Przenoszą one również, w dużo większym stopniu, zakłócenia sieciowe. Rdzenie toroidalne używane są rzadko do mocy powyżej 500 VA.

Transformatorami pełnymi nazywamy transformatory z oddzielnymi uzwojeniami pierwotnymi i wtórnymi. Posiadają one galwaniczne oddzielnie wejścia i wyjścia.

Autotransformatory mają wspólne uzwojenie pierwotne i wtórne. Dlatego ten typ transformatorów nie posiada oddzielenia galwanicznego między wejściem i wyjściem, ale może być używany zarówno do transformacji napięć w górę jak i w dół. Ze względu na "ścisłe" sprzężenie między uzwojeniami i fakt,, że uzwojenie zajmuje mniej miejsca, ten typ transformatora posiada mniejsze wymiary niż porównywalny transformator dwuuzwojeniowy.

Transformator regulacyjny jest najczęściej odmianą autotransformatora, gdzie odczep uzwojenia wtórnego jest ruchomy, tak że napięcie w tym uzwojeniu można zmieniać. Jest on bardzo praktyczny w zastosowaniach laboratoryjnych, gdzie chcemy badać jak aparatura zachowuje się przy zmiennych napięciach zasilania. Transformator regulacyjny produkowany może być również w wersji dwuuzwojeniowej, czyli jako pełny transformator.

Transformator separujący jest transformatorem dwuuzwojeniowym, którego używa się do zasilania urządzeń napięciem odizolowanym od podstawowej sieci zasilającej. W laboratoriach pomiarowych stosuje się go np. tam, gdzie nie można używać uziemionych wyjść sieciowych, ponieważ wtedy otrzyma się pętlę uziemień, które mogą mieć wpływ na wynik pomiarów Bieguny sieci mają jak wiadomo 230 V i O V w stosunku do ziemi. Uzwojenie wtórne transformatora separującego można pozostawić nieuziemione i w takim wypadku nie daje ono napięcia w stosunku do ziemi (napięcie wtórne pozostanie "pływające") To pływające napięcie zmniejsza zasadniczo ryzyko dla osób pracujących w laboratorium. Transformator może być wyposażony w ekran pomiędzy stroną pierwotną i wtórną, aby zapobiec zakłóceniom przenoszonym pojemnościowo.

Transformator bezpieczny i pośredni do celów ochronnych winny być używane, aby ograniczyć ryzyko porażenia prądem w urządzeniach elektrycznych i przedmiotach powszechnego użytku. Transformatory te muszą mieć zapewnioną izolację pomiędzy stroną pierwotną i wtórną, a także ograniczone napięcie wyjściowe, które może wynosić 12, 24, 42 i 115V w zależności od wymaganego zastosowania.

Transformatorem bezpiecznym nazywamy taki transformator, który posiada tzw. bezpieczne niskie napięcie pracy, najwyżej 50 V, transformator pośredni dla celów ochrony to taki, który dostarcza napięcia w zakresie pomiędzy 50 i 125 V.

Do zabawek powinno się używać tzw. transformatorów zabawkowych, które dają napięcie o wartości najwyżej 24 V i zapewniają bezpieczeństwo w przypadku nieostrożnej obsługi.

Transformator dzwonkowy to transformator przeznaczony do dzwonków drzwiowych i podobnych zastosowań. Może mieć on wartość prądu zwarciowego najwyżej 10 A, aby uniknąć ewentualnego uszkodzenia przewodów dzwonkowych, które mogą przenosić tylko krótkotrwałe obciążenia.

Powyższe typy transformatorów, jak również transformatory do golarek i lamp przenośnych muszą spełniać różne wymagania, które są wyspecyfikowane w międzynarodowej normie IEC 742, z wyjątkami określonymi w standardzie europejskim EN 60 74.

Transformatory małej częstotliwości (m.cz., akustyczne) spełniają zadania, które różnią się zasadniczo od zadań transformatorów sieciowych. Używa się ich przede wszystkim nie w celu transformatorowania wartości napięcia, ale do transformacji impedancji. Używane są do dopasowywania impedancji pomiędzy np. dwoma stopniami wzmacniacza lub też do dopasowania impedancji między wzmacniaczem i głośnikiem.

Przełożenie impedancji dokonuje się z kwadratem przekładni uzwojenia (przełożenia napięciowego), tzn. transformator z przełożeniem uzwojenia 10:1 ma przełożenie impedancji 100:1.

Transformatory małej częstotliwości do zastosowań Hi - Fi muszą przenosić cały zakres częstotliwości akustycznych 20 Hz do 20 kHz bez zmian w tłumieniu i bez większych przesunięć fazowych. Oznacza to w praktyce, że muszą one przenosić jeszcze szerszy zakres częstotliwości. Dlatego jest znacznie trudniej skonstruować i zbudować transformator małej częstotliwości, niż transformator sieciowy, który musi funkcjonować dobrze tylko przy jednej częstotliwości.

Transformator wyjściowy akustyczny jest bardzo krytycznym elementem. Obecnie znowu stało się to aktualne w związku z tendencją budowy wzmacniaczy Hi - Fi i innych przyrządów w oparciu o lampy elektronowe. Lampy powinny być obciążane optymalną impedancją wynikającą z ich charakterystyk. Chodzi tu o impedancję rzędu wielu k, która przy pomocy transformatora dopasowywana jest do niskiej impedancji głośnika. Ta wysoka impedancja oznacza wiele zwojów uzwojenia pierwotnego, posiadających określoną pojemność. W celu uniknięcia rezonansu, który przypada w pobliżu zakresu tonów słyszalnych, staramy się utrzymać tę pojemność na jak najniższym poziomie, poprzez nawijanie transformatora sekcjami: na przemian sekcje uzwojenia pierwotnego i wtórnego. Poprawia to również stopień sprzężenia między uzwojeniami. Czasami stosuje się specjalne stopy na rdzeń, aby straty były jak najniższe.

Transformatory małych częstotliwości używa się np. w mikrofonach, w przetwornikach gramofonowych z ruchomą cewką oraz na wejściach wzmacniaczy. Również tu istnieje wymaganie dużej szerokości pasma. Szczególnie ważne jest aby transformator znajdujący się na początku łańcucha wzmacniającego był jak najlepiej zaekranizowany przeciwko polu wytwarzanemu przez sieć energetyczną. Bardzo efektywne ekranowanie dają tzw. mumetale.

Transformatory modemowe zapewniają galwaniczne odseparowanie modemu od sieci telefonicznej. Zbudowane są tak, aby spełniać normy stawiane przez przepisy telekomunikacyjne. Należy zwrócić uwagę, że normy te mogą znacznie różnić się w różnych krajach. W Szwecji wystarczy np. wytrzymałość napięciowa 2,5 kV, a w innych, np. w Wielkiej Brytanii i w Niemczech, wymaga się 4 kV.

Transformator częstotliwości pośrednich składa się z dwóch połączonych stopni rezonansowych. Jest on skonstruowany na pewne częstotliwości pracy np. 455 kHz (AM) lub 10,7 MHz (FM), które mogą być dostrojone przy pomocy ruchomych rdzeni. Przy AM, SSB, i CW pożądane jest by pasmo było możliwie wąskie, tzn. by wartość Q była jak największą, podczas gdy transformatory dla radia FM powinny mieć szerokość pasma ok 250 kHz, dla uniknięcia zniekształceń. W tunerach Hi - Fi wymagana jest najczęściej większa szerokość pasma gdyż chcemy mieć jak najniższe zniekształcenia, podczas gdy w radiu samochodowym możemy tolerować większe zniekształcenia, dla uzyskania w zamian większej czułości i selektywności.

Transformator prądowy zwany również przekładnikiem prądowym, stosuje się do pomiaru - za pośrednictwem pola magnetycznego - natężenia prądu płynącego przez przewód. Oznacza to, że obwód przepływu prądu nie musi być przerywany dla dokonania pomiaru. Transformatorów tych używa się np. w wyłącznikach różnicowo - prądowych.