Transformator– budowa, zasada działania i zastosowanie

Transformator to urządzenie elektryczne, który przekształca energię. Największe transformatory to transformatory energetyczne, ale na co dzień mamy styczność z małymi transformatorami, które znajdują zastosowanie we wszelkiego rodzaju sprzęcie elektronicznym. Artykuł ten zapewni ci wiedzę na temat tego , jak transformator przekształca energię oraz jak jest skonstruowany. Poznasz główne zalety transformatorów oraz dowiesz się, gdzie mogą być one stosowane. Ponadto, zdobędziesz informacje na temat mocy transformatorów, ich sprawności oraz zasady działania przekładni napięciowej.

Transformator, z perspektywy elektronika, jest jednym z podstawowych komponentów elektronicznych, służącym do przenoszenia energii między dwoma obwodami elektrycznymi. Istotne aspekty tego elementu to przekazywanie energii oraz przekształcanie napięć. W transformatorze energia elektryczna jest przekazywana bez użycia przewodów, lecz za pomocą pola magnetycznego. Nie ma tutaj mowy o przesyłaniu energii na duże odległości, gdyż energia elektryczna jest transferowana między uzwojeniami znajdującymi się blisko siebie, ale nie mającymi fizycznego połączenia elektrycznego. Obwody, między którymi przekazywana jest energia, są oddzielone od siebie, co jest istotne z punktu widzenia bezpieczeństwa i chroni użytkownika przed porażeniem prądem elektrycznym. Uzwojenia transformatora są wzajemnie odizolowane, co stanowi znaczącą zaletę. W większości praktycznych zastosowań transformator może zapewnić fizyczną separację, czyli tzw. izolację galwaniczną, która oddziela jeden obwód od drugiego.

Jak działa transformator?

W praktyce transformator pełni istotną rolę w przekształcaniu wartości napięcia, co jest zgodne z jego nazwą. W przypadku powszechnie stosowanego sprzętu, transformatory głównie obniżają napięcie sieciowe o wartości 230 V na bezpieczne wartości kilku do kilkudziesięciu woltów. Działanie transformatora opiera się na dwóch blisko umieszczonych uzwojeniach. Kluczowym elementem jest pole magnetyczne, które obejmuje oba uzwojenia. W większości transformatorów uzwojenia są umieszczone na wspólnym ferromagnetycznym rdzeniu, zazwyczaj oznaczanym na schematach jako dwa oddzielone od siebie uzwojenia. Rdzeń pełni rolę prowadnicy dla pola magnetycznego.

Podstawowe elementy transformatora

Podstawowe składniki transformatora to:

Uzwojenia: Transformator zazwyczaj składa się z co najmniej dwóch uzwojeń, wykonanych z izolowanego miedzianego drutu. Mogą występować również dodatkowe uzwojenia, w zależności od konkretnego zastosowania.

Ferromagnetyczny rdzeń: Transformator posiada ferromagnetyczny rdzeń, który pełni rolę wzmacniania pola magnetycznego generowanego przez uzwojenia. Rdzeń wykonuje się z magnetycznych materiałów, takich jak stal krzemowa, aby zwiększyć efektywność transformacji energii.

Karkas: Transformator jest montowany na karkasie, który pełni funkcję nośną i stabilizującą. Karkas zazwyczaj wykonuje się z tworzywa sztucznego lub innego materiału izolacyjnego.

Działanie transformatora można opisać w prosty sposób: sinusoidalnie zmienny prąd płynący przez uzwojenie pierwotne generuje sinusoidalnie zmienne pole magnetyczne (zgodnie z prawem Ampère’a), które obejmuje uzwojenie wtórne. To zmienne pole magnetyczne indukuje sinusoidalnie zmienne napięcie w uzwojeniu wtórnym (zgodnie z prawem indukcji Faradaya). Jeśli uzwojenie wtórne jest obciążone, to przepływa przez nie prąd.

Warto zaznaczyć, że transformator działa w obie strony, czyli może przenosić energię zarówno w kierunku od uzwojenia pierwotnego do wtórnego, jak i odwrotnie. Jest to wykorzystywane w praktyce przez elektroników i hobbystów, którzy używają dwóch identycznych transformatorów do uzyskania galwanicznego odseparowania od sieci energetycznej podczas niektórych pomiarów.

Klasyczne transformatory sieciowe pracują z sinusoidalnym kształtem napięć na obu uzwojeniach, ale transformator może również pracować z innymi kształtami przebiegów. W praktyce często spotyka się transformatory impulsowe, które pracują z prostokątnymi przebiegami napięć. Takie transformatory są często stosowane w nowoczesnych impulsowych zasilaczach sieciowych.

Transformator i prąd stały

Warto zauważyć, że istnieje powszechne przekonanie, że „transformator może działać tylko przy prądzie przemiennym i nie może pracować przy prądzie stałym”. Choć takie twierdzenie ma pewne uzasadnienie praktyczne, zwłaszcza w kontekście aparatury audio, nie jest całkowicie prawdziwe i może być mylące. Raczej należy stwierdzić, że przy prądzie stałym pojawia się problem nasycenia rdzenia. W niektórych impulsowych zasilaczach sieciowych (w konfiguracji forward) transformator rzeczywiście pracuje przy napięciach stałych i wymaga zastosowania specjalnych środków zaradczych w celu przeciwdziałania nasyceniu rdzenia. Jest to jednak zagadnienie odrębne i skomplikowane, które nie będzie poruszane w ramach tego artykułu.

Jak jest zbudowany transformator?

Transformator ma różne konstrukcje, ale podstawą jego budowy jest połączenie dwóch cewek, które są objęte wspólnym polem magnetycznym. Jednak sama obecność dwóch oddzielnych cewek nie tworzy transformatora. W transformatorze kluczowym celem jest zapewnienie, że pole magnetyczne generowane przez uzwojenie pierwotne obejmuje w pełni uzwojenie wtórne, czyli że w pełni na nie oddziałuje. Choć idealne zrealizowanie tego jest niemożliwe, dąży się do minimalizacji strat pola magnetycznego, czyli unikania niepotrzebnego rozpraszania.

W praktyce korzystne i często niezbędne jest umieszczenie obu uzwojeń na wspólnym rdzeniu. Istnieje wiele różnych rozwiązań konstrukcyjnych, które stanowią kompromis między parametrami technicznymi a kosztami produkcji. Jeśli chodzi o same uzwojenia transformatora, to w pewnym sensie idealne są tzw. uzwojenia bifilarne, czyli wykonywane równocześnie dwoma przewodami. Uzwojenia bifilarne (trifilarne itp.) znajdują zastosowanie głównie w technice radiowej. Jednak nie są stosowane w transformatorach do zasilaczy sieciowych, ponieważ nie spełniają wymagań dotyczących izolacji, które są określone przez przepisy bezpieczeństwa. Wielu impulsowych transformatorów korzysta z różnych, pozornie dziwnych sposobów wykonania uzwojeń, takich jak zastosowanie płaskiej taśmy miedzianej – folii zamiast drutu. To jednak bardziej zaawansowane kwestie. Warto jednak zaznaczyć, że wiele transformatorów ma więcej niż dwie cewki, w tym tzw. uzwojenia z odczepem, dzięki czemu jeden transformator może dostarczać różne napięcia jednocześnie.

Sprawność transformatora

W idealnym przypadku, cała dostarczana energia powinna być przekazywana bez strat z uzwojenia pierwotnego do uzwojenia wtórnego i obciążenia. Jednak w rzeczywistym transformatorze zawsze występuje pewna ilość mocy, która zamienia się na ciepło, zarówno w obu uzwojeniach, jak i w rdzeniu. Nie jest możliwe zbudowanie transformatora o doskonałej, stuprocentowej sprawności. Jednak istnieją metody redukcji strat zarówno w przewodach miedzianych (w uzwojeniach), jak i w materiałach ferromagnetycznych (w rdzeniu), choć wiąże się to z kosztami. Te zależności są skomplikowane, dlatego projektowanie transformatorów i optymalizacja ich parametrów to trudne zadanie. W tańszym sprzęcie powszechnego użytku zazwyczaj stosuje się ekonomiczne transformatory o sprawności energetycznej wynoszącej od 70% do 90%. Warto również zauważyć, że popularne, duże transformatory energetyczne montowane na słupach często mają sprawność powyżej 99%.

Przekładnia transformatora

Transformator ma zdolność do zmiany wartości napięcia i prądu. Podstawową zależnością jest to, że napięcie na uzwojeniach jest wprost proporcjonalne do liczby zwojów. Stosunek liczby zwojów w uzwojeniach determinuje stosunek napięć w sposób oczywisty.

W idealnym przypadku, przekładnia transformatora odnosi się do stosunku liczby zwojów w uzwojeniu pierwotnym i wtórnym, który jest równy stosunkowi napięć w tych uzwojeniach. Jednak w przypadku rzeczywistego transformatora, w którym istnieje rezystancja w uzwojeniach (co powoduje straty w miedzi – P = I²R) oraz straty mocy w rdzeniu, sprawa staje się bardziej skomplikowana. Można to zobrazować w sposób uproszczony za pomocą schematu zastępczego.

Choć w uzwojeniach takiego nieidealnego transformatora występują (indukowane) napięcia podobne do tych w idealnym transformatorze, występują również spadki napięć na rezystancjach. To powoduje, że rzeczywisty stosunek napięć na zaciskach transformatora nie jest dokładnie taki sam jak stosunek liczby zwojów w uzwojeniach.

W literaturze używa się pojęcia (teoretycznej) przekładni zwojowej (NP / NS) oraz bardziej praktycznego pojęcia przekładni napięciowej. Jednak w praktyce elektroniki, znaczenie ma głównie pojęcie przekładni zwojowej (stosunek liczby zwojów), szczególnie przy projektowaniu transformatorów. Problem niedoskonałości i strat nie jest wyrażany za pomocą pojęcia przekładni napięciowej, ponieważ w praktyce stosunek napięć po obu stronach transformatora zależy od prądu i mocy obciążenia.

Sztywność transformatora

W typowych katalogach fabrycznych transformatorów, informacje dotyczące strat są zwykle skąpe.

W przypadku transformatorów sieciowych istnieje pojęcie „sztywności”. Transformator sztywny to taki, którego napięcie wtórne nie zmienia się znacząco pod obciążeniem. Natomiast transformator „miękki” jest charakteryzowany przez znaczną zmianę napięcia wyjściowego po obciążeniu prądem nominalnym, czasem nawet o połowę, zwłaszcza w przypadku małych transformatorów sieciowych.

Początkujących może zadziwiać informacja, że to nie zawsze jest wadą. Warto jednak wiedzieć, że jest to zaleta w przypadku tzw. transformatorów zwarciobezpiecznych.

Informacja o mocy transformatorów również może budzić zdziwienie. Przy dokładniejszej analizie zasady działania, teoretycznie nawet mały transformator mógłby przenieść bardzo dużą moc! Jednak w praktyce ograniczeniem są nieuchronne straty „w miedzi i w żelazie”.. Są to straty w postaci ciepła, które powodują wzrost temperatury uzwojeń i rdzenia. W praktyce moc jest ograniczana przez maksymalną dopuszczalną temperaturę, gdzie głównym czynnikiem ograniczającym jest maksymalna bezpieczna temperatura pracy lakieru użytego do izolacji drutów uzwojeń.

Rodzaje i zastosowanie transformatorów

Największe transformatory to transformatory energetyczne, ale na co dzień spotykamy mniejsze transformatory, które są instalowane na słupach. Z kolei najmniejsze transformatory, znane jako transformatory impulsowe, znajdują zastosowanie we wszelkiego rodzaju sprzęcie elektronicznym, często w obwodach gniazdek służących do podłączenia przewodów sieciowych.

Przez wiele lat dominowały transformatory sieciowe, które spotykamy w starych zasilaczach. Posiadały one rdzeń wykonany z cienkich blach o kształcie liter „EI” lub rzadziej „CI”. Podobne, choć nieco inaczej zaprojektowane transformatory, były używane jako transformatory głośnikowe i separacyjne w sprzęcie audio, szczególnie w wzmacniaczach lampowych.

Później opracowano lepsze transformatory sieciowe, wykorzystujące rdzenie w kształcie zaokrąglonego prostokąta. Te rdzenie były przecinane i po zmontowaniu karkasu z uzwojeniami mocno ściskane, często przy użyciu lutowania lub śrub. Jeszcze lepszym rozwiązaniem stało się zastosowanie rdzeni w postaci toroidów (o kształcie dętki lub opony), na które bezpośrednio nawija się uzwojenia. Jednak nawijanie większej liczby zwojów stanowiło wyzwanie technologiczne. Dlatego toroidalne transformatory sieciowe zyskały popularność na rynku dopiero pod koniec XX wieku.

Obecnie tradycyjne transformatory sieciowe (o napięciu 230 V i częstotliwości 50 Hz) są rzadko stosowane, ponieważ w powszechnym użyciu są zasilacze impulsowe. Te zasilacze również zawierają transformator, który jest wymagany przez przepisy w celu zapewnienia bezpiecznego oddzielenia galwanicznego. Transformatory do zasilaczy impulsowych pracują z impulsami o wysokiej częstotliwości, często sięgającej kilkuset kiloherców, a niektóre nawet jeszcze wyższej. Przy takich częstotliwościach nie używa się tradycyjnych rdzeni z blach, ale zamiast tego stosuje się ferryty lub różne rodzaje rdzeni określane ogólnie jako „proszkowe”. Rdzenie ferrytowe i proszkowe znajdują zastosowanie w transformatorach używanych w urządzeniach radiowych oraz w transformatorach impulsowych w różnych nowoczesnych urządzeniach.

Zachęcamy do zapoznania się z artykułem dotyczącym problematyki strat mocy i energii w transformatorach rozdzielczych: Problematyka strat mocy i energii w transformatorach rozdzielczych.