Transformátor: 5 důležitých podmínek pro nejlepší účinnost

transformátor

Transformátor je jednoduché elektrické zařízení, které využívá vlastnost vzájemné indukce k transformaci střídavého napětí z jednoho na druhé větší nebo menší hodnoty.

Projekt první konstantní potenciál byl vynalezen v roce 1885, a od té doby se stala nezbytností jako základní zařízení pro přenos, distribuci a využití střídavého proudu (AC).

Existují různé typy transformátorů, které mají různé konstrukce vhodné pro různé aplikace v elektronické a elektrické energii. Jejich velikosti se pohybují od radiofrekvenční aplikace s objemem menším než kubický centimetr až po obrovské jednotky vážící stovky tun používané v energetických sítích.

Nejčastěji se používají při přenosu a distribuci energie na velké vzdálenosti zvýšením výstupního napětí z transformátor takže se sníží proud a následně je ztráta odporového jádra méně významná, takže signál může být přenášen na vzdálenosti do rozvodny sousedící se spotřebiči, kde se napětí opět sníží pro další použití.

Základní struktura a fungování transformátoru

Základní struktura transformátoru obecně sestává ze dvou cívek navinutých kolem jádra z měkkého železa, jmenovitě primární a sekundární cívky. Vstupní střídavé napětí je přivedeno na primární cívku a výstupní střídavé napětí je pozorováno na sekundární straně. 

Jak víme, že indukované emf nebo napětí se generuje pouze tehdy, když se tok magnetického pole mění vzhledem k cívce nebo obvodu, proto, vzájemná indukčnost mezi dvěma cívkami je možné pouze se střídavým, tj. měnícím se/střídavým napětím, nikoli se stejnosměrným, tj. stálým/stejnosměrným napětím.

Projekt transformátory se používají k transmutaci napětí a proudové úrovně podle poměru vstupních a výstupních závitů cívky. Závity v primární a sekundární cívce jsou N_p a N_s, resp. Nechť Φ je tok propojený jak primární, tak sekundární cívkou. Pak,

Vyvolané emf přes primární cívku,   =

Indukované emf přes sekundární cívku,  = 

Z těchto rovnic to můžeme odvodit  

Kde symboly mají následující význam:

         

Síla, P = I_pV_p = I_sV_s

Pokud jde o předchozí rovnice,

Tak máme V_s = ()V_P  a já_s = I_P

Pro zvýšení: V_s > V_p syn_s>N_p a já_s<I_p

Pro krok dolů: V_s <V_p syn_s <N_p a já_s > Já_p

Primární a sekundární cívka v transformátoru

Výše uvedený vztah je založen na některých předpokladech, které jsou následující:

• Stejný tok spojuje primární i sekundární tok bez jakéhokoli úniku toku.
• Sekundární proud je malý.
• Primární odpor a proud jsou zanedbatelné.

Účinnost transformátoru proto nemůže být 100%. I když dobře navržený může mít účinnost až 95%. Pro dosažení vyšší účinnosti je třeba mít na paměti hlavní čtyři důvody ztráty energie.

Příčina ztráty energie transformátoru:

• Únik tavidla: Vždy dochází k nějakému úniku toku, protože je téměř nemožné, aby veškerý tok z primárního prošel do sekundárního bez jakéhokoli úniku.
• Vířit proudy: Měnící se magnetický tok bude v železném jádru indukovat vířivé proudy, které mohou způsobit zahřívání a tím i ztráty energie. Ty by mohly být minimalizovány použitím vrstveného železného jádra.
• Odpor ve vinutí: Energie se ztrácí ve formě rozptylu tepla vodiči, ale lze ji minimalizovat použitím poměrně silných vodičů.
• Hystereze: Když je magnetizace jádra opakovaně obrácena střídavým magnetickým polem, vede to k výdaji nebo ztrátě energie generováním tepla uvnitř jádra. To lze snížit použitím materiálů s nižší ztrátou magnetické hystereze.

Budeme o tom studovat Vířivý prouds a Magnetická hystereze podrobněji v dalších částech.

Další studijní materiály související s elektronikou klikněte zde