Что такое трансформатор?

Приветствую, друзья!

Мы с вами уже знакомились с тем, как работают некоторые «кирпичики», из которых состоит современный компьютер.

Вы уже знаете, как работают диоды, а также полевые и биполярные транзисторы.

Сегодня мы с вами узнаем, как устроен еще один такой «кирпичик» — трансформатор.

Он не просто жужжит или гудит, но выполняет очень важные функции!

Если бы не изобрели эту штуку, у нас не было бы ничего – не телевидения, ни радио, ни компьютеров, ни электрического света в домах.

Мы не будем рассматривать подробно всё многообразие трансформаторов (их много), но ограничимся тем, что имеет отношения к компьютеру и периферийным устройствам.

Что такое трансформатор?

Слово «трансформатор» происходит от латинского transformo (преобразовывать). Мы рассмотрим трансформаторы — преобразователи напряжения, как наиболее нас интересующие.

Бывают еще другие трансформаторы, например, тока.

Трансформатор напряжения позволяет получить напряжение одной величины из напряжения другой величины. Все вы видели высоковольтные линии с высокими опорами, по которым передается высокое напряжение 6000, 35 000, 110 000, 220 000 или 500 000 Вольт.

В домашней же электрической сети и присутствует напряжения 220 вольт (В). Преобразование высокого напряжения в 220 В осуществляется с помощью здоровенных трансформаторов в тонны весом, которые находятся в трансформаторных подстанциях.

Из напряжения 220 В мы можем получить дома более низкое напряжение нужной величины с помощью небольшого трансформатора. Удобно, не правда ли?

Как устроен трансформатор

Низкочастотный трансформатор содержит в себе сердечник из сплава на основе железа и размещенные на нем обмотки из провода. В упрощенном виде трансформатор содержит две обмотки — первичную и вторичную. Они изолированы друг от друга и не имеют электрического контакта.

На первичную обмотку подается преобразуемое напряжение, со вторичной снимается напряжение, нужное нам.

Это и отражено в символическом изображении трансформатора в электрических схемах. Обмотки изображают в виде волнистых линий с отводами, сердечник — одной (или несколькими, зависит от стандарта) прямой линией.

При подаче переменного тока в первичную обмотку в ней возникает переменное магнитное поле.

Магнитное поле характеризуется такой числовой величиной, как магнитный поток.

Чем больше ток в первичной обмотке и чем больше там витков, тем сильнее возникающий магнитный поток.

Это магнитный поток наводит (генерирует) переменное напряжение во вторичной обмотке.

Если подключить к вторичной обмотке нагрузку, по ней потечет переменный ток. Следует отметить, что частота переменного напряжение во вторичной обмотке будет равна частоте напряжения в первичной обмотке.

Что будет, если первичную обмотку подключить к источнику постоянного напряжения? Появится ли постоянное напряжение на вторичной обмотке, ведь при протекании тока в первичной обмотке в ней генерируется магнитный поток?

Нет, не появится! Напряжение во вторичной обмотке находится только при переменном магнитном потоке, а при постоянном токе он постоянен.

Роль сердечника заключается в том, что он почти полностью концентрирует в себе магнитный поток.

Без сердечника магнитная связь обмоток было бы слабее.

И мощность, отдаваемая вторичной обмоткой в нагрузку, было бы гораздо меньше.

Полная теория трансформатора довольно сложна.

Чтобы исчерпывающим образом описать его работу, необходимо применять математический аппарат с интегралами, производными и прочими сложными понятиями.

Мы не будем здесь этого делать, но приведем несколько базовых соотношений, имеющих практическую пользу.

Габаритная мощность и КПД трансформатора

Для начала отметим, что, чем больше поперечное сечение сердечника (или магнитопровода) трансформатора, тем большую мощность можно получить на вторичных обмотках.

Именно поэтому большие трансформаторы, установленные в трансформаторных подстанциях и питающие несколько многоэтажек, имеют большой вес и габариты.

Маломощные трансформаторы, отдающие мощность в несколько Ватт (Вт), умещаются на ладони.

Трансформатор характеризуется габаритный мощностью, т.е. суммарной мощностью, отдаваемой всеми вторичными обмотками.

Как известно, мощность Р2 = U2 * I2, где U2, I2 – соответственно, напряжение и ток вторичной обмотки трансформатора.

Отметим, что не вся мощность, потребляемая первичной обмоткой от источника передается во вторичную. Часть мощности идет на нагрев проводов и сердечника. Кроме того, некоторая часть магнитного потока, создаваемого первичной обмоткой, рассеивается в пространстве и не участвуют в наведении напряжения во вторичных обмотках.

Именно поэтому, КПД (коэффициент полезного действия) трансформатора, т.е. отношение мощности вторичной обмотки P2 к мощности первичной обмотки P1 меньше 100%.

КПД: η = P2 / P1

В общем случае, чем больше габаритная мощность трансформатора, тем больше его КПД.

КПД маломощных трансформаторов может составлять величину 60 – 80%. КПД мощных трансформаторов в распределительных подстанциях может иметь величину 99% .

Провода в обмотках нагреваются потому, что они имеют не нулевое сопротивление. Прохождения тока по проводнику, обладающему сопротивлением, вызывает, по закону Джоуля-Ленца, его нагрев.

Именно поэтому обмотки трансформатора выполняют из меди, как материала, обладающего низким удельным сопротивлением.

Количество витков на вольт и сечение магнитопровода трансформатора

Напряжение на вторичной обмотке пропорционально количеству витков провода в ней. Чем больше витков, тем больше напряжение на ней.

Маломощный трансформатор характеризуется такой вспомогательной величиной, как количество витков на вольт.

Она связана достаточно сложной зависимостью с сечением магнитопровода трансформатора.

Для маломощных однофазных трансформаторов c сердечником из отдельных пластин приближённая формула имеет вид:

w = 50/S, где S — сечение магнитопровода в кв. сантиметрах, w – количество витков на вольт.

Таким образом, если сечение магнитопровода имеют величину, скажем 4 кв. см, то для него w = 50/4 = 12,5.

Если первичная обмотка рассчитана на напряжение 220 вольт количество витков в ней должно быть: w1 = 220*12,5 = 2750. А если нам надо, например, иметь 15 вольт на вторичной обмотке, надо намотать w2 = 15*12,5 = 188 витков.

В заключение первой части рассмотрим, что такое коэффициент трансформации.

Коэффициент трансформации трансформатора

Трансформатор характеризуется ещё такой величиной, как коэффициент трансформации. Коэффициент трансформации k — это отношение напряжения вторичной обмотки к напряжению первичной обмотки: k = U2/U1. Если имеется несколько вторичных обмоток разными напряжениями, то для каждой будет свой коэффициент трансформации.

Из вышесказанного видно, что коэффициент трансформации определяется соотношением витков вторичной и первичной обмоток: k = w2/w1.

Для приведенных выше цифр в примере k = 15/220 = 188/2750 = 0,068

Для понижающего трансформатора коэффициент трансформации будет меньше единицы, для повышающего – больше.

Бывают трансформаторы с коэффициентом трансформации, равным единице.

В этом случае трансформатор служит для гальванической развязки разных частей схемы.

Во второй части мы продолжим знакомство с этой интересной штуковиной.

Можно еще почитать:

Как устроен компьютерный блок питания. Часть 1.

Как устроен компьютерный блок питания. Окончание.