Трансформатор. Общие сведения.

Трансформатор - это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем напряжений переменного тока в одну или несколько других систем напряжений, без изменения частоты.

Трансформатор состоит, как минимум, из двух изолированных катушек, размещенных рядом друг с другом. Входное напряжение переменного тока прикладывается к первичной обмотке и создает изменяющееся магнитное поле. Это поле взаимодействует со вторичной обмоткой, индуцируя в ней напряжение переменного тока. Напряжение, индуцируемое во вторичной обмотке, имеет ту же частоту, что и входное напряжение, но его амплитуда определяется соотношением числа витков: K_T=U₂/U₁=T₂/T₁, где U₁ и U₂ - напряжение на выводах соответственно первичной и вторичной обмоток, Т₁ и Т₂ - количество витков соответственно первичной и вторичной обмоток, К_Т - коэффициент трансформации.

Если К_T > 1, то трансформатор называется повышающим и вырабатывает на выходе (вторичной обмотке) более высокое напряжение, чем приложено на входе (к первичной обмотке). Если К_T < 1, то трансформатор называется понижающим и вырабатывает на выходе меньшее напряжение, чем на входе.

Мощность трансформаторов измеряется в вольт-амперах (ВА), а не в ваттах (Вт). Это обусловлено тем, что нагрузка является реактивной.

На рис 1 показано схематическое изображение трансформатора. Направление первичной и вторичной обмоток на сердечнике определяет полярность индуцированного напряжения во вторичной обмотке. Приложенное переменное напряжение может быть в фазе с индуцированным напряжением, либо сдвинуто относительно него на 180^°. Точки на схематическом обозначении трансформатора используются для указания полярности. Знак фазы можно изменить, поменяв местами выводы к нагрузке.

Трансформаторы иногда наматываются с отводом на вторичной обмотке (рис 2). Вторичная обмотка с отводом посредине эквивалентна двум вторичным обмоткам, каждая из которых имеет по половине от общего числа витков. Поскольку отвод сделан от середины вторичной обмотки, то напряжения U₂₁=U₂₂. Если средняя точка заземлена, то выходные напряжения, снимаемые с двух половин вторичной обмотки, находятся в противофазе. Центральный вывод используется в блоках питания для преобразования переменного напряжения в постоянное.

Важным применением трансформаторов является согласование импедансов. Максимальная мощность передается только тогда, когда импеданс нагрузки равен импедансу источника сигнала. Когда импедансы не согласованы, мощность передается не полностью.

Например, если транзисторный усилитель может эффективно возбуждать 100-омный усилитель, то он не сможет эффективно раскачать 4-омный громкоговоритель. Использование трансформатора поможет согласовать импедансы. Это достигается выбором соответствующего коэффициента трансформации. Z₂/Z₁=(U₂/I₂)/(U₁/I₁)=(U₂/U₁)*(I₁/I₂)=K²_T, где Z₁ - сопротивление трансформатора со стороны первичной обмотки (Ом), Z₂ - нагрузочное сопротивление вторичной обмотки (Ом), I₁ и I₂ - токи, соответственно протекающие в первичной и вторичной обмотках, K_T- коэффициент трансформации.

Автотрансформатор - это устройство, используемое для повышения или понижения приложенного напряжения и представляющее собой специальный трансформатор, в котором одна обмотка является частью другой. На рис 3 изображен автотрансформатор, понижающий напряжение, так как вторичная обмотка содержит меньшее число витков. Специальным типом автотрансформатора является переменный автотрансформатор, в котором нагрузка подсоединена к подвижному рычагу и одному из выводов автотрансформатоpa. Перемещение рычага изменяет коэффициент трансформации и, следовательно, напряжение на нагрузке.

Если к трансформатору приложить постоянное напряжение, то после установления магнитного поля во вторичной обмотке э.д.с наводиться не будет. Для индуцирования напряжения во вторичной обмотке необходимо изменение тока. Поэтому трансформатор может использоваться для гальванической развязки вторичной обмотки и любого постоянного напряжения в первичной.

Трансформаторы также используются для гальванической развязки электронного оборудования и сети переменного тока. Причина использования трансформатора - предотвращение поражения электрическим током. В этом случае трансформатор изолирует оборудование от земли. Развязывающий трансформатор не повышает и не понижает напряжение, следовательно, коэффициент трансформации К_T = 1.