Informacja

Podstawy transformatora

Podstawy transformatora

Transformatory znajdują szerokie zastosowanie we wszystkich gałęziach elektroniki. Jednym z ich najbardziej znanych zastosowań są aplikacje energetyczne, w których są wykorzystywane do przekształcania napięcia roboczego z jednej wartości na drugą. Służą również do odizolowania obwodu na wyjściu od bezpośredniego połączenia z obwodem pierwotnym. W ten sposób przenoszą moc z jednego obwodu do drugiego bez bezpośredniego połączenia.

W sieci National Grid stosowane są bardzo duże transformatory, które zmieniają napięcia linii między różnymi wymaganymi wartościami. Jednak dla amatorów radia lub entuzjastów domowych transformatory są powszechnie spotykane w zasilaczach. Transformatory są również szeroko stosowane w innych obwodach, od audio po częstotliwości radiowe, gdzie ich właściwości są szeroko wykorzystywane do łączenia różnych stopni w urządzeniu.

Co to jest transformator?

Podstawowy transformator składa się z dwóch uzwojeń. Są one znane jako pierwotne i wtórne. W istocie moc wchodzi do pierwotnego, a odchodzi do wtórnego. Niektóre transformatory mają więcej uzwojeń, ale podstawa działania pozostaje taka sama.

Istnieją dwa główne efekty, które są używane w transformatorze i oba odnoszą się do prądu i pól magnetycznych. W pierwszej okazuje się, że prąd płynący w przewodzie wytwarza wokół niego pole magnetyczne. Wielkość tego pola jest proporcjonalna do prądu płynącego w przewodzie. Stwierdzono również, że jeśli drut zostanie zwinięty w cewkę, wówczas pole magnetyczne zostanie zwiększone. Jeśli to generowane elektrycznie pole magnetyczne zostanie umieszczone w istniejącym polu, wówczas na drut przewodzący prąd zostanie wywierana siła w taki sam sposób, w jaki dwa magnesy stałe umieszczone blisko siebie będą się przyciągać lub odpychać. Jest to zjawisko stosowane w silnikach elektrycznych, licznikach i wielu innych jednostkach elektrycznych.

Drugim efektem jest to, że stwierdzono, że jeśli zmieni się pole magnetyczne wokół przewodnika, wówczas w przewodniku zostanie indukowany prąd elektryczny. Jeden z przykładów może się zdarzyć, gdy magnes zostanie przesunięty blisko drutu lub cewki. W tych okolicznościach indukowany będzie prąd elektryczny, ale tylko wtedy, gdy magnes się porusza.

Połączenie tych dwóch efektów występuje, gdy dwa przewody lub dwie cewki są umieszczone razem. Kiedy prąd zmienia swoją wielkość w pierwszym, spowoduje to zmianę strumienia magnetycznego, a to z kolei spowoduje indukcję prądu w drugim. Jest to podstawowa koncepcja transformatora i można zauważyć, że będzie on działał tylko wtedy, gdy zmienny lub przemienny prąd przepływa przez obwód wejściowy lub pierwotny.

Współczynnik obrotów transformatora

Aby prąd płynął, musi być obecne pole elektromagnetyczne (siła elektromotoryczna). Ta różnica potencjałów lub napięcie na wyjściu zależy od stosunku zwojów w transformatorze. Okazuje się, że jeśli więcej zwojów jest obecnych w pierwotnym niż wtórnym, to napięcie na wejściu będzie większe niż na wyjściu i odwrotnie. W rzeczywistości napięcie można łatwo obliczyć ze znajomości współczynnika zwojów:

Es = ns
Ep np

Gdzie
Ep jest głównym polem elektromagnetycznym
Es jest drugim polem elektromagnetycznym
np to liczba tur na podstawowym
ns to liczba zwojów wtórnego

Jeśli stosunek zwojów ns / np jest większy niż jeden, wówczas transformator da wyższe napięcie na wyjściu niż na wejściu i mówi się, że jest to transformator podwyższający. Podobnie, o współczynniku zwojów mniejszym niż jeden jest transformatorem obniżającym napięcie.

Współczynniki napięcia i prądu w transformatorze

Istnieje wiele innych czynników, które można łatwo obliczyć. Pierwsza to stosunek prądów wejściowych i wyjściowych oraz napięć. Ponieważ moc wejściowa jest równa mocy wyjściowej, możliwe jest obliczenie napięcia lub prądu dla pozostałych trzech wartości przy użyciu prostego wzoru przedstawionego poniżej. Fakt ten nie uwzględnia żadnych strat w transformatorze, które na szczęście można zignorować w większości obliczeń.

Vp x Ip = Vs x Is

Na przykład weźmy przypadek transformatora sieciowego, który daje 25 woltów przy jednym amperach. Przy napięciu wejściowym 250 woltów oznacza to, że prąd wejściowy wynosi zaledwie jedną dziesiątą ampera.

W przypadku niektórych transformatorów liczba zwojów pierwotnego będzie taka sama, jak na wtórnym, a prąd i napięcie na wejściu będą takie same jak na wyjściu. Jednak tam, gdzie stosunek zwojów nie wynosi 1: 1, stosunek napięcia i prądu będzie inny na wejściu i wyjściu. Z prostej zależności pokazanej powyżej widać, że stosunek napięcia do prądu zmienia się między wejściem a wyjściem. Na przykład transformator o przełożeniu 2: 1 może mieć wejście 20 V z prądem 1 A, podczas gdy na wyjściu napięcie będzie wynosić 10 V przy 2 A. Ponieważ stosunek napięcia do prądu określa impedancję, można zauważyć, że transformator można wykorzystać do zmiany impedancji między wejściem a wyjściem. W rzeczywistości impedancja zmienia się wraz z kwadratem współczynnika zwojów, jak widać:

Z p = np2
Zs ns2

W użyciu

Transformatory są szeroko stosowane w wielu zastosowaniach w radiu i elektronice. Jednym z ich głównych zastosowań jest zasilanie sieciowe. Tutaj transformator służy do zmiany wejściowego napięcia sieciowego (około 240 V w wielu krajach i 110 V w wielu innych) na napięcie wymagane do zasilania sprzętu. W przypadku większości dzisiejszych urządzeń wykorzystujących technologię półprzewodnikową wymagane napięcia są znacznie niższe niż w sieci zasilającej. Oprócz tego transformator izoluje zasilanie po stronie wtórnej od sieci, dzięki czemu zasilanie wtórne jest znacznie bezpieczniejsze. Gdyby zasilanie było pobierane bezpośrednio z sieci, istniałoby znacznie większe ryzyko porażenia prądem.

Transformator mocy, taki jak używany w zasilaczu, jest zwykle nawinięty na żelazny rdzeń. Służy to skoncentrowaniu pola magnetycznego i zapewnieniu bardzo ścisłego sprzężenia między pierwotnym a wtórnym. W ten sposób wydajność jest utrzymywana na jak najwyższym poziomie. Jednak bardzo ważne jest, aby upewnić się, że ten rdzeń nie działa jak uzwojenie z jednym obrotem. Aby temu zapobiec, sekcje rdzenia są odizolowane od siebie. W rzeczywistości rdzeń składa się z kilku płyt, z których każda jest przeplatana, ale izolowana jedna od drugiej, jak pokazano.

Dwa uzwojenia transformatora mocy są dobrze odizolowane od siebie. Zapobiega to wszelkiemu prawdopodobieństwu włączenia się uzwojenia wtórnego.

Chociaż jednym z głównych zastosowań transformatorów, które hobbysta napotka, jest transformacja napięcia zasilania lub napięcia sieciowego na nowy poziom, mają one również wiele innych zastosowań, w których mogą być używane. Kiedy używano zaworów, były one szeroko stosowane w aplikacjach audio, aby umożliwić głośnikom o niskiej impedancji napędzanie obwodów zaworowych o stosunkowo wysokiej impedancji wyjściowej. Są również używane do zastosowań o częstotliwości radiowej. Fakt, że mogą izolować składowe prądu stałego sygnału, działać jako transformatory impedancji i jako obwody strojone w jednym, oznacza, że ​​są one istotnym elementem w wielu obwodach. W wielu przenośnych odbiornikach te transformatory IF zapewniają selektywność odbiornika. W pokazanym przykładzie widać, że uzwojenie pierwotne transformatora jest dostrajane za pomocą kondensatora, aby doprowadzić go do rezonansu. Regulacja częstotliwości rezonansowej jest zwykle wykonywana za pomocą rdzenia, który można wkręcać i wykręcać w celu zmiany wartości indukcyjności cewki. Transformator dopasowuje także wyższą impedancję stopnia kolektora z poprzedniego stopnia do niższej impedancji stopnia następnego. Służy również do oddzielenia różnych napięć w stanie ustalonym na kolektorze poprzedniego stopnia od podstawy następnego stopnia. Gdyby te dwa obwody nie były od siebie odizolowane, warunki polaryzacji prądu stałego dla obu tranzystorów byłyby zakłócone i żaden ze stopni nie działałby poprawnie. Dzięki zastosowaniu transformatora stopnie mogą być podłączone do sygnałów AC, przy jednoczesnym zachowaniu warunków polaryzacji DC.

Podsumowanie

Transformator jest nieocenionym elementem dzisiejszej sceny elektronicznej. Pomimo faktu, że układy scalone i inne urządzenia półprzewodnikowe wydają się być używane w coraz większych ilościach, nie ma substytutu dla transformatora. Fakt, że jest w stanie izolować i przenosić energię z jednego obwodu do drugiego, zmieniając impedancję, zapewnia, że ​​jest on wyjątkowo umieszczony jako narzędzie dla projektantów elektroniki.


Obejrzyj wideo: Elektromagnetyzm. Ćwiczenie: 202. Badanie transformatora. (Styczeń 2022).