Transformator

Transformator jest to urządzenie, za pomocą którego można zmienić napięcie prądu przemiennego na wyższe lub niższe, służy do przenoszenia energii prądu przemiennego z jednego do drugiego obwodu.

Budowa transformatora

Budowa transformatora jest niezwykle prosta. Na rdzeniu zbudowanego z miękkiego ferromagnetyka nawinięte są zwoje w odpowiedniej, zależnej od przeznaczenia transformatora, liczbie. Mają one swoje nazwy. Uzwojenie pierwotne podłącza się do źródła prądu przemiennego. Uzwojenie wtórne służy do zasilania odbiornika prądu. Rdzeń z ferromagnetyka o dużej przenikalności magnetycznej ułatwia przenoszenie strumienia magnetycznego do uzwojenia wtórnego.

Uzwojenie pierwotne, w którym płynie prąd przemienny pełni funkcję magnesu, który wytwarza zmienny w czasie strumień magnetyczny. Rdzeń przenosi ten strumień do uzwojenia wtórnego. Zmiany pola magnetycznego (strumienia) powodują powstanie w uzwojeniu wtórnym siły elektromotorycznej. Prąd zaczyna wówczas płynąć w drugim z obwodów. Jest to także prąd przemienny, ale już o innym napięciu i natężeniu, uzależnionym od liczby zwojów w obu uzwojeniach.

Przekładnia transformatora

Przekładnia transformatora jest to iloraz liczby zwojów uzwojenia wtórnego i pierwotnego.

Przekładnia transformatora jest równa ilorazowi SEM uzwojenia wtórnego i SEM uzwojenia pierwotnego.

$\frac{n_2}{n_1}=\frac{U_2}{U_1}$

gdzie:

n₂ - liczba zwojów na uzwojeniu wtórnym,
n₁ - liczba zwojów na uzwojeniu pierwotnym,
U₂ - napięcie na uzwojeniu wtórnym,
U₁ - napięcie na uzwojeniu wtórnym,

Prawdziwy jest także wzór:

$\frac{n_1}{n_2}=\frac{U_1}{U_2}$

W niektórych źródłach przekładnia transformatora jest definiowana jako iloraz liczby zwojów uzwojenia pierwotnego i wtórnego.

Moc pobierana przez uzwojenie pierwotne jest równa mocy dostarczanej przez uzwojenie wtórne, jeżeli tylko straty energii w transformatorze są bardzo znikome (pomijalne). Stąd:

P₁=P₂

I₁U₁=I₂U₂

$\frac{I_2}{I_1}=\frac{U_1}{U_2}$

Gdzie napięcia i natężenia U i I oznaczają odpowiednio napięcia i natężenia skuteczne w uzwojeniach pierwotnych i wtórnych.

Z powyższego wzoru wynika, że podniesienie dwukrotne napięcia w uzwojeniu wtórnym spowoduje dwukrotne obniżenie natężenia prądu w tym uzwojeniu.

Powyższe wzory wynikają z bardzo uproszczonego modelu. W rzeczywistości mamy do czynienia ze stratami energii w uzwojeniach, rdzeniu i następuje częściowe sprzężenie pojemnościowe między zwojami.

Sprawność transformatora

Sprawność transformatora jest to stosunek mocy dostarczanej do odbiornika przez wtórne uzwojenie transformatora do mocy, jaką pobiera uzwojenie pierwotne P₂/P₁.

Wszystkie transformatory mają sprawność mniejszą od jedności.

Skąd się biorą straty energii? Każdy przewodnik charakteryzuje pewien opór wewnętrzny. Zatem jeżeli przez uzwojenie przepuszczamy prąd, wydziela się na nim ciepło. Straty energii powstają także w rdzeniu związane z procesem przemagnesowania ferromagnetyka, z jakiego zbudowany jest rdzeń, a także z uwagi na prądy wirowe, jakie indukują się w samym rdzeniu, na skutek występowania zmiennego strumienia magnetycznego. Prądy te również powodują wydzielanie się ciepła. Prądom wirowym zapobiega się znacząco w ten sposób, że rdzenie do transformatorów buduje się z izolowanych od siebie cienkich płytek.

Zastosowanie transformatorów

Transformatory są wykorzystywane do podwyższania lub obniżania napięcia elektrycznego.

Jeżeli liczba zwojów uzwojenia wtórnego jest większa od liczby zwojów uzwojenia pierwotnego (n₂>n₁), to transformator podwyższa napięcie.

Jeżeli liczba zwojów uzwojenia wtórnego jest mniejsza od liczby zwojów uzwojenia pierwotnego (n₂<n₁), to transformator obniża napięcie.

Zastosowanie transformatorów ma ogromne znaczenie praktyczne w przesyłaniu energii elektrycznej na duże odległości. Prawo Joule'a-Lenza opisuje ilość wydzielonego ciepła na oporze w obwodzie prądu elektrycznego, które jest proporcjonalne do napięcia elektrycznego i do kwadratu natężenia prądu. Obniżenie natężenia prądu znacząco zatem wpływa na wydzielanie się ciepła Joule'a. Podczas przesyłania energii elektrycznej na duże odległości wydzielone ciepło jest czystą stratą energii. Dlatego za pomocą transformatorów podwyższa się napięcie i obniża natężenia prądu przesyłowego.

Transformatory obniżające napięcie są zaś powszechnie stosowane w urządzeniach wymagających niższych napięć, na przykład w radioodbiornikach, drukarkach, telewizorach itp.

Pytania

Czy transformator działa w obwodach prądu stałego?

Nie.

Skąd się bierze prąd w uzwojeniu wtórnym?

Prąd w uzwojeniu wtórnym jest prądem indukcyjnym. Prąd przemienny w uzwojeniu pierwotnym wytwarza zmienne pole magnetyczne. Strumień tego pola jest "przenoszony" do drugiego uzwojenia dzięki rdzeniowi z ferromagnetyka. Rdzeń to nic innego jak obwód magnetyczny. Zmiany strumienia magnetycznego w uzwojeniu wtórnym powodują powstanie siły elektromotorycznej, będącej źródłem napięcia przemiennego w drugim z obwodów (uzwojeniu wtórnym).

Co to jest trafo?

Czym się różni trafo od ransformatora? Trafo to inna, techniczna i skrótowa nazwa transformatora w języku potocznym.