Transformatory
Transformator składa się w swojej najprostszej formie z żelaznego rdzenia z nawiniętymi dwoma uzwojeniami. O ile prad w w uzwojeniu pierwotnym ma ksztalt sinusoidy, równiez strumien magnetyczny w rdzeniu bedzie sie zmienial wedlug tej krzywej. Zmiany strumienia indukuja w uzwojeniu wtórnym napiecie równiez o ksztalcie sinusoidy. W przypadku, gdyby strumien nie zmienial sie w czasie, to napiecie w uzwojeniu wtórnym nie mogloby byc indukowane. Inaczej mówiac - transformator nie przenosi pradu stalego.
Z tego prostego opisu widzimy, ze transformator ma dwa zadania:
Przeniesienie napiecia zmiennego z uzwojenia pierwotnego do wtórnego, przy jednoczesnym oddzieleniu galwanicznym strony pierwotnej od wtórnej.
Transformacja (=przenoszenie, przetwarzanie) napiecia zmiennego na napiecie o podobnym przebiegu czasowym ale i innej wartosci.
Transformator sieciowy jest przykladem transformacji jednej wartosci napiecia zmiennego na inna, np. 230 V na 11 V. Moc przenoszona przez transformator ulega zmniejszeniu o wartosc strat. Poniewaz moc jest iloczynem wartosci napiecia i natezenia pradu, wiec w przykladowym transformatorze przy poborze 1 A po stronie wtórnej co najmniej 0,05 bedzie przeplywac po stronie pierwotnej.
Transformator jest obliczany na pewna maksymalna moc, której nie wolno przekraczac. Oznacza to, ze rezystancje uzwojen musza byc wystarczajaco niskie, aby nie dawaly zbyt duzych spadków napiecia. Oznacza to takze, ze rdzen transformatora musi miec wystarczajaca wielkosc aby nie byl nasycany. Wielkosc ta decyduje nie tylko o przenoszonej mocy, ale równiez o czestotliwosci pracy. Ogólnie, im mniejsza czestotliwosc przenoszona, tym wiekszy rdzen jest niezbedny.
Rdzen nie moze stanowic jednolitej masy, poniewaz prady wirowe, które w takim przypadku powstaja, powoduja duze straty. W zwiazku z tym uzywa sie blach transformatorowych, które sa ukladane w pakiet blaszek, wzajemnie od siebie odizolowanych. Sa one czesto wycinane w formie liter E i I. Tworza w ten sposób rdzen EI, w którym uzwojenie umieszczone jest w srodku, aby uzyskac mozliwie duze pole magnetyczne.
P pewnych zastosowaniach strumien rozproszenia moze byc krytyczny. Dotyczy to np. wzmacniaczy Hi - Fi i urzadzen pomiarowych, w których pole indukuje przydzwiek sieci. W takich wypadkach lepszym rozwiazaniem sa transformatory o rdzeniu toroidalnym, poniewaz daja one bardzo male rozproszenie. Wlasciwoscia rdzeniu toroidalnych jest to, ze prady zalaczenia sa wieksze niz w transformatorach o rdzeniu IE. Przenosza one równiez, w duzo wiekszym stopniu, zaklócenia sieciowe. Rdzenie toroidalne uzywane sa rzadko do mocy powyzej 500 VA.
Transformatorami pelnymi nazywamy transformatory z oddzielnymi uzwojeniami pierwotnymi i wtórnymi. Posiadaja one galwaniczne oddzielnie wejscia i wyjscia.
Autotransformatory maja wspólne uzwojenie pierwotne i wtórne. Dlatego ten typ transformatorów nie posiada oddzielenia galwanicznego miedzy wejsciem i wyjsciem, ale moze byc uzywany zarówno do transformacji napiec w góre jak i w dól. Ze wzgledu na "scisle" sprzezenie miedzy uzwojeniami i fakt,, ze uzwojenie zajmuje mniej miejsca, ten typ transformatora posiada mniejsze wymiary niz porównywalny transformator dwuuzwojeniowy.
Transformator regulacyjny jest najczesciej odmiana autotransformatora, gdzie odczep uzwojenia wtórnego jest ruchomy, tak ze napiecie w tym uzwojeniu mozna zmieniac. Jest on bardzo praktyczny w zastosowaniach laboratoryjnych, gdzie chcemy badac jak aparatura zachowuje sie przy zmiennych napieciach zasilania. Transformator regulacyjny produkowany moze byc równiez w wersji dwuuzwojeniowej, czyli jako pelny transformator.
Transformator separujacy jest transformatorem dwuuzwojeniowym, którego uzywa sie do zasilania urzadzen napieciem odizolowanym od podstawowej sieci zasilajacej. W laboratoriach pomiarowych stosuje sie go np. tam, gdzie nie mozna uzywac uziemionych wyjsc sieciowych, poniewaz wtedy otrzyma sie petle uziemien, które moga miec wplyw na wynik pomiarów Bieguny sieci maja jak wiadomo 230 V i O V w stosunku do ziemi. Uzwojenie wtórne transformatora separujacego mozna pozostawic nieuziemione i w takim wypadku nie daje ono napiecia w stosunku do ziemi (napiecie wtórne pozostanie "plywajace") To plywajace napiecie zmniejsza zasadniczo ryzyko dla osób pracujacych w laboratorium. Transformator moze byc wyposazony w ekran pomiedzy strona pierwotna i wtórna, aby zapobiec zaklóceniom przenoszonym pojemnosciowo.
Transformator bezpieczny i posredni do celów ochronnych winny byc uzywane, aby ograniczyc ryzyko porazenia pradem w urzadzeniach elektrycznych i przedmiotach powszechnego uzytku. Transformatory te musza miec zapewniona izolacje pomiedzy strona pierwotna i wtórna, a takze ograniczone napiecie wyjsciowe, które moze wynosic 12, 24, 42 i 115V w zaleznosci od wymaganego zastosowania.
Transformatorem bezpiecznym nazywamy taki transformator, który posiada tzw. bezpieczne niskie napiecie pracy, najwyzej 50 V, transformator posredni dla celów ochrony to taki, który dostarcza napiecia w zakresie pomiedzy 50 i 125 V.
Do zabawek powinno sie uzywac tzw. transformatorów zabawkowych, które daja napiecie o wartosci najwyzej 24 V i zapewniaja bezpieczenstwo w przypadku nieostroznej obslugi.
Transformator dzwonkowy to transformator przeznaczony do dzwonków drzwiowych i podobnych zastosowan. Moze miec on wartosc pradu zwarciowego najwyzej 10 A, aby uniknac ewentualnego uszkodzenia przewodów dzwonkowych, które moga przenosic tylko krótkotrwale obciazenia.
Powyzsze typy transformatorów, jak równiez transformatory do golarek i lamp przenosnych musza spelniac rózne wymagania, które sa wyspecyfikowane w miedzynarodowej normie IEC 742, z wyjatkami okreslonymi w standardzie europejskim EN 60 74.
Transformatory malej czestotliwosci (m.cz., akustyczne) spelniaja zadania, które róznia sie zasadniczo od zadan transformatorów sieciowych. Uzywa sie ich przede wszystkim nie w celu transformatorowania wartosci napiecia, ale do transformacji impedancji. Uzywane sa do dopasowywania impedancji pomiedzy np. dwoma stopniami wzmacniacza lub tez do dopasowania impedancji miedzy wzmacniaczem i glosnikiem.
Przelozenie impedancji dokonuje sie z kwadratem przekladni uzwojenia (przelozenia napieciowego), tzn. transformator z przelozeniem uzwojenia 10:1 ma przelozenie impedancji 100:1.
Transformatory malej czestotliwosci do zastosowan Hi - Fi musza przenosic caly zakres czestotliwosci akustycznych 20 Hz do 20 kHz bez zmian w tlumieniu i bez wiekszych przesuniec fazowych. Oznacza to w praktyce, ze musza one przenosic jeszcze szerszy zakres czestotliwosci. Dlatego jest znacznie trudniej skonstruowac i zbudowac transformator malej czestotliwosci, niz transformator sieciowy, który musi funkcjonowac dobrze tylko przy jednej czestotliwosci.
Transformator wyjsciowy akustyczny jest bardzo krytycznym elementem. Obecnie znowu stalo sie to aktualne w zwiazku z tendencja budowy wzmacniaczy Hi - Fi i innych przyrzadów w oparciu o lampy elektronowe. Lampy powinny byc obciazane optymalna impedancja wynikajaca z ich charakterystyk. Chodzi tu o impedancje rzedu wielu k, która przy pomocy transformatora dopasowywana jest do niskiej impedancji glosnika. Ta wysoka impedancja oznacza wiele zwojów uzwojenia pierwotnego, posiadajacych okreslona pojemnosc. W celu unikniecia rezonansu, który przypada w poblizu zakresu tonów slyszalnych, staramy sie utrzymac te pojemnosc na jak najnizszym poziomie, poprzez nawijanie transformatora sekcjami: na przemian sekcje uzwojenia pierwotnego i wtórnego. Poprawia to równiez stopien sprzezenia miedzy uzwojeniami. Czasami stosuje sie specjalne stopy na rdzen, aby straty byly jak najnizsze.
Transformatory malych czestotliwosci uzywa sie np. w mikrofonach, w przetwornikach gramofonowych z ruchoma cewka oraz na wejsciach wzmacniaczy. Równiez tu istnieje wymaganie duzej szerokosci pasma. Szczególnie wazne jest aby transformator znajdujacy sie na poczatku lancucha wzmacniajacego byl jak najlepiej zaekranizowany przeciwko polu wytwarzanemu przez siec energetyczna. Bardzo efektywne ekranowanie daja tzw. mumetale.
Transformatory modemowe zapewniaja galwaniczne odseparowanie modemu od sieci telefonicznej. Zbudowane sa tak, aby spelniac normy stawiane przez przepisy telekomunikacyjne. Nalezy zwrócic uwage, ze normy te moga znacznie róznic sie w róznych krajach. W Szwecji wystarczy np. wytrzymalosc napieciowa 2,5 kV, a w innych, np. w Wielkiej Brytanii i w Niemczech, wymaga sie 4 kV.
Transformator czestotliwosci posrednich sklada sie z dwóch polaczonych stopni rezonansowych. Jest on skonstruowany na pewne czestotliwosci pracy np. 455 kHz (AM) lub 10,7 MHz (FM), które moga byc dostrojone przy pomocy ruchomych rdzeni. Przy AM, SSB, i CW pozadane jest by pasmo bylo mozliwie waskie, tzn. by wartosc Q byla jak najwieksza, podczas gdy transformatory dla radia FM powinny miec szerokosc pasma ok 250 kHz, dla unikniecia znieksztalcen. W tunerach Hi - Fi wymagana jest najczesciej wieksza szerokosc pasma gdyz chcemy miec jak najnizsze znieksztalcenia, podczas gdy w radiu samochodowym mozemy tolerowac wieksze znieksztalcenia, dla uzyskania w zamian wiekszej czulosci i selektywnosci.
Transformator pradowy zwany równiez przekladnikiem pradowym, stosuje sie do pomiaru - za posrednictwem pola magnetycznego - natezenia pradu plynacego przez przewód. Oznacza to, ze obwód przeplywu pradu nie musi byc przerywany dla dokonania pomiaru. Transformatorów tych uzywa sie np. w wylacznikach róznicowo - pradowych.