Co to jest Transformator i jak działa?

Transformator to urządzenie, którego zadaniem jest przekształcanie energii elektrycznej. Napięcie pochodzące ze źródła może zostać zamienione na wyższe, niższe lub takie samo przy niewielkich stratach mocy.

Po co nam transformatory?

Mówiąc do najprościej, do zmiany napięcia oraz prądu. Jeżeli w gniazdku mamy napięcie sieciowe o wartości skutecznej 230V, a do zasilania radyjka potrzebne jest 9V, to musimy w jakiś sposób  “zgubić” 221V. Obniżenie napięcia stabilizatorem lub rezystorem powodowałoby olbrzymie straty mocy: zasilacz do naszego radyjka grzałby się jak piekarnik i miałby podobne rozmiary. Tymczasem, tego typu urządzenia są zasilane poprzez zasilacz o niewielkich gabarytach, który nie grzeje się prawie wcale.

Jak to jest możliwe? Dzięki transformatorowi, który jest w środku. Prąd z gniazdka zasila jego uzwojenie pierwotne, a na uzwojeniu wtórnym powstaje napięcie odpowiednio niższe. Ten proces jest, teoretycznie, bezstratny. W praktyce transformatory produkują nieco ciepła.

Jak działa transformator?

I tu doszliśmy do sedna: jak to działa? Na rysunku mamy schematyczny model transformatora: dwa uzwojenia i rdzeń, który przez nie przechodzi. Uzwojenie pierwotne, które jest zasilane, indukuje w rdzeniu strumień magnetyczny - dokładnie tak, jak elektromagnes. Ten strumień przechodzi przez uzwojenie wtórne, generując w nim napięcie.

Aby transformator działał, prąd w uzwojeniu pierwotnym musi ulegać cyklicznym zmianom. Napięcie, którym dysponujemy w gniazdkach spełnia to wymaganie: ma przebieg sinusoidalnie zmienny, więc jak najbardziej jest zmienne.

Prąd stały czy zmienny?

Transformator nie będzie działał po zasileniu go prądem stałym, ponieważ napięcie na uzwojeniu wtórnym może powstać tylko wtedy, kiedy zmienia się strumień pola magnetycznego w rdzeniu, który przechodzi przez jego środek. A żeby zmieniał się strumień, musi zmieniać się prąd. Z kolei, żeby zmieniał się prąd, musi zmieniać się napięcie. I kółko się zamyka.

Różne napięcia

Skąd transformator “wie”, że ma wytworzyć napięcie 9V, 12V, 3V a może 600V? To wynika ze stosunku liczby zwojów w uzwojeniach N2/N1. Jeżeli, przykładowo, N2 = 100 zwojów, a N1 = 1000 zwojów, to napięcie na wyjściu wtórnym będzie wynosiło

N2 / N1 = 100 /1 000 = 0,1 napięcia na uzwojeniu wtórnym. Ten stosunek nazywamy przekładnią transformatora.

Jeżeli do uzwojenia pierwotnego przyłożymy napięcie Up o wartości skutecznej 230V, to na wtórnym otrzymamy

Up * (N2 / N1) = 230V * (100 / 1000) = 230V * 0,1 = 23V

Kiedy napięcie na uzwojeniu pierwotnym zmaleje, to na wtórnym również proporcjonalnie spadnie - zgodnie z przekładnią, bo z żadnego z uzwojeń nie ubędzie ani jeden zwój. Tak samo, kiedy napięcie po stronie pierwotnej wzrośnie, po stronie wtórnej również się zwiększy.

Dlatego typowe transformatory, jakie mamy dostępne w handlu, są wykonane na określone napięcie wtórne (np. 12V do lamp halogenowych) ale przy założeniu określonego napięcia pierwotnego, najczęściej 230V. Producent transformatora odpowiednio dobiera liczbę zwojów obu uzwojeń.

Parametry napięcia pierwotnego są oznaczane, z języka angielskiego, jako Primary, a wtórnego jako Secondary. Zazwyczaj na etykiecie są również: wartość częstotliwości, przy której transformator będzie pracował poprawnie oraz jego moc.

Kilka uzwojeń wtórnych

Na jednym rdzeniu może znajdować się jedno uzwojenie pierwotne i kilka wtórnych. Możemy wtedy uzyskać wiele różnych napięć, których źródła są od siebie galwanicznie odizolowane. Taka funkcja transformatora przydaje się zwłaszcza w układach analogowo-cyfrowych, które wymagają różnych zasilaczy.

Natężenie prądu

Transformator przenosi moc z jednej strony (pierwotnej) na drugą (wtórną). Jeżeli z uzwojenia wtórnego pobieramy prąd o natężeniu np. I2 = 1A przy napięciu U2 = 9V, to przez uzwojenie pierwotne (zasilane napięciem, załóżmy U1 = 230V) płynie prąd o proporcjonalnie mniejszym natężeniu:

I1 * U1 = I2 * U2

I1 = (I2 * U2) / U1

I1 = (1A * 9V) / 230V ≈ 39,1mA

Jak to jest zrobione?

Uzwojenie to wiele zwojów drutu o określonej grubości oraz o określonej liczbie tych zwojów. Drut uzwojenia powleczony jest cienką izolacją, aby poszczególne warstwy nie zwierały się ze sobą. Oprócz tego potrzebny jest rdzeń. Powstało kilka różnych wariantów jego wykonania.

Transformatory kształtkowe

Uzwojenia nawija się na specjalnej szpuli z materiału izolacyjnego, który nazywa się karkasem. Przez karkas przechodzą cienkie blaszki tworzące metalowy rdzeń - tak jest zbudowany transformator kształtkowy, bardzo popularny sposób wykonania transformatorów małej i średniej mocy.

Niekiedy transformatory tego typu zalewa się w żywicy, aby były bardziej odporne na wilgoć. Są to wówczas transformatory zalewane - mają niewielką moc.

Transformatory toroidalne

Inną grupą są transformatory wykonanie nieco inaczej, czyli bez karkasu. Rdzeń ma kształt pierścienia, a uzwojenia są nawinięte wprost na nim (z uwzględnieniem izolującej przekładki), oplatając go. Tak się wykonuje transformatory nieco wyższej mocy.

Transformatory impulsowe

Jeszcze inaczej są wykonane transformatory pracujące przy wysokich częstotliwościach, rzędu dziesiątek i setek kiloherców. Stanowią główny podzespół przetwornic impulsowych, czyli zasilaczy konwertujących jedną wartość napięcia na inną. Rdzeń w nich nie jest wykonany ze stali, lecz z innego materiału magnetycznego, najczęściej ferrytu.

Do działania wymagają dodatkowej elektroniki, która wytwarza sygnał o tak wysokiej częstotliwości. Ma to jednak zaletę: takie transformatory są dużo mniejsze, lżejsze i tańsze niż ich odpowiedniki o tej samej mocy, które są przystosowane do zasilania wprost z gniazdka sieciowego.