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.

návrhový transformátor DBZ v roce 1885
Shell formoval designový transformátor DBZ v roce 1885, Image Credit - Zátonyi Sándor, (ifj.), DBZ provozCC BY-SA 3.0
transformátor
transformátory v elektrické rozvodně, Image Credit - Allalone89Koncová stanice v Melbourne, označeno jako public domain, více podrobností o Wikimedia Commons

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.

fungování transformátoru a únikového toku
Práce transformátoru a svodový tok
Kredit obrázku:Moje maličkost, Tok transformátoruCC BY-SA 3.0

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

Vyvolané emf přes primární cívku,  image001 2 = image002

Indukované emf přes sekundární cívku, image003 2 = image004 2

Z těchto rovnic to můžeme odvodit  image005 3

Kde symboly mají následující význam:

 image006        

Síla, P = IpVp = IsVs

Pokud jde o předchozí rovnice, image007 4

Tak máme Vs = (image008)Va jás = image009 2 IP

Pro zvýšení: Vs > Vp syns>Np a jás<Ip

Pro krok dolů: Vs <Vp syns <Np a jás > Jáp

Primární a sekundární cívka v transformátoru

transformátor
Primární a sekundární vinutí
Image Credit: anonymní, Transformer3d colCC BY-SA 3.0

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

Také čtení: