Transformátor

Transformátor (slangovo nazývaný aj trafo) je netočivý elektrický stroj, umožňujúci prenos elektrickej energie z jedného elektrického obvodu do druhého pomocou elektromagnetickej indukcie. Striedavý prúd v prvom (primárnom) obvode vytvára premenlivé magnetické pole, ktoré následne indukuje striedavé napätie v druhom (sekundárnom) obvode, ktorým začne tiecť prúd.

Prierez trojfázovým transformátorom používaným v energetike (hore je nádrž chladiaceho oleja)

Schematická značka transformátora

Transformátor je možné použiť na zmenu veľkosti striedavého elektrického napätia nahor alebo nadol bez zmeny frekvencie. Okrem tejto funkcie zabezpečuje transformátor aj galvanické oddelenie dvoch elektrických obvodov, čo sa využíva pri konštrukcii elektronických obvodov, alebo pre bezpečnosť pred zásahom elektrickým prúdom.

Princíp a konštrukcia

Princíp jednofázového jadrového transformátora

Obvod s ideálnym transformátorom. Transformačná rovnica pre pomer napätí, prúdov a počtov závitov.

Rôzne typy nízkonapäťových transformátorov, používaných napr. v napájacích zdrojoch spotrebnej elektroniky. Vpravo hore transformátor s toroidným jadrom, ostatné so skladanými jadrami EI.

Transformátor používaný v zdroji vysokého napätia pre klasické obrazovky

Trojfázový transformátor chladený olejom.

Uzavretý trojfázový transformátor chladený olejom bez konzervátora.

Transformátor sa skladá z dvoch alebo viacerých cievok (nazývaných vinutie) umiestnených tak, aby bola medzi nimi čo najväčšia vzájomná magnetická väzba. Kvôli zvýšeniu magnetickej väzby sa takmer vždy používa feromagnetické jadro, a často sú cievky navinuté jedna na druhej na spoločnej kostričke (vtedy sa podľa potreby rieši aj ich vzájomná elektrická izolácia dodatočnou izolačnou vrstvou). Transformátory pripájané na elektrickú rozvodnú sieť majú kvôli bezpečnosti vinutia ešte dodatočne prekryté ďalšou izolačnou vrstvou, prípadne sú zaliate do vhodnej zalievacej hmoty.

Cievka, ktorá je pripojená na zdroj napätia je nazývaná primárne vinutie, ostatné cievky sú nazývané sekundárne vinutie (vinutia). Vinutia majú niekedy vyvedené aj niektoré nekoncové body, ktoré sa nazývajú odbočky.

Analogicky k cievkam, napätie na primárnom/sekundárnom vinutí sa nazýva primárne/sekundárne napätie. Ak primárne napätie je väčšie ako sekundárne, hovorí sa o transformácii nadol, inak o transformácii nahor; pomer medzi primárnym a sekundárnym napätím sa nazýva transformačný pomer – tento závisí najmä od pomeru počtu závitov jednotlivých vinutí.

Typy jadier

Podľa tvaru jadra

• jadrové (majú primárne a sekundárne vinutie na rôznych stĺpoch jadra)
• plášťové (majú obe vinutia na jedinom strednom stĺpe jadra)
• toroidné (jadro je kruhové, vinutie po celom obvode)

Podľa materiálu

• transformátorový plech
• feritové jadro (vysokofrekvenčné)
• železoprachové

Podľa tvaru

• toroidné (prstencovité)
• EI
• M
• C

Straty, chladenie

Straty

• ohmické (straty na elektrickom odpore vodičov vinutí)
• magnetické
• vírivými prúdmi v jadre

Chladenie

Vinutie transformátora sa zahrieva prechodom elektrického prúdu (pasívny odpor), vírivými magnetickými prúdmi sa zahrieva aj jadro transformátora. Výkonné transformátory sa preto musia chladiť. Chladenie môže byť priame, kedy chladiace médium cirkuluje okolo cievky transformátora, alebo nepriame, keď je cievka od média oddelená. Obeh chladiva môže byť prirodzený, alebo nútený.

Druhy používaných chladív:

• vzduch pasívne, alebo ventilátorom
• olej
• voda
• iná nehorľavá kvapalina
• inertný plyn
• pevný izolant (chladenie vedením)

Impregnácia

Transformátor sa impregnuje buď ako celok, alebo jeho jednotlivé časti – cievka a jadro. Dôvodom impregnácie je:

• Cievka
  • zvýšenie napäťovej odolnosti (odolnosť proti prierazu vo vinutí cievky)
  • zlepšenie odvodu tepla z vnútrajšku cievky
  • zlepšená mechanická a chemická odolnosť vinutia
• Jadro
  • zníženie „zvukových“ efektov (známe vrčanie transformátora z neónového osvetlenia)
  • zlepšenie chemickej a mechanickej odolnosti jadra
  • zvýšenie kompaktnosti

Transformátory sa napúšťajú olejom, voskami, niekedy tiež syntetickými farbami, špeciálnou zalievacou hmotou resp. sa ako celok zalievajú do plastu.

Použitie

• energetika
• zdroje
• väzba medzi jednotlivými podobvodmi v elektronických obvodoch
• zdroj vysokého napätia (Teslov transformátor, zapaľovacia „cievka“ v zážihovom motore, zdroj vysokého napätia pre obrazovky)
• galvanické oddelenie

Špeciálne transformátory

Autotransformátor

Obvod s autotransformátorom

Toroidný regulačný autotransformátor s otočným bežcom

Ide vlastne len o jedinú cievku s odbočkou. Autotransformátor nezabezpečuje galvanické (a tým ani bezpečnostné) oddelenie! Autotransformátory sa využívajú napr. v regulovaných zdrojoch striedavého napätia, v zapaľovacích cievkach automobilov, ako transformátory trakčného napätia v elektrických lokomotívach, pretože majú pri rovnakom prenášanom výkone nižšiu hmotnosť ako transformátory s oddelenými vinutiami.

Merací transformátor

Transformátor s viacerými odbočkami zo sekundárneho vinutia, medzi ktorými sa prepína, aby sa získalo rôzne výstupné napätie. Často býva konštruovaný na toroidnom jadre, sekundárne vinutie má potom jednu stranu odizolovanú a pohybuje sa po ňom bežec, plynulo prepínajúci „odbočky“ vinutia po jednom závite. Regulačný transformátor sa často konštruuje ako autotransformátor. Regulačné autotransformátory sa často využívajú v laboratórnych zdrojoch regulovaného napätia.

Oddeľovací (izolačný) transformátor

Izolačný transformátor je sieťový transformátor s transformačným pomerom 1:1. Používa sa na:

• ochranu proti elektrickému úrazu dotykom živej časti (ako bezpečnostný prvok, napr. v laboratóriách, kde sa pracuje s odkrytovanými elektrickými spotrebičmi)
• obmedzenie unikajúcich prúdov

Signálový transformátor

Transformátor na prenos analógových alebo digitálnych signálov. Typickým príkladom sú mikrofónne transformátory na impedančné prispôsobenie signálu z mikrofónu k vstupu zosilňovača alebo výstupné transformátory nízkofrekvenčných zosilňovačov (predovšetkým pri elektrónkových zosilňovačoch prispôsobujú nízku impedanciu reproduktoru anódovému obvodu koncovej elektrónky). Používajú sa aj v prípade potreby galvanického oddelenia signálových obvodov.

Vysokofrekvenčný transformátor

Signálový transformátor slúži na prenos vysokofrekvenčného (vf) signálu. Využíva sa napr. vo vstupných obvodoch rozhlasových a TV prijímačov na oddelenie a impedančné prispôsobenie jednotlivých zosilňovacích stupňov. Vinutia vf transformátora zvyčajne tvorí len niekoľko závitov navinutých na feritovom jadierku. Primárne aj sekundárne vinutie zvyčajne tvorí indukčnosť rezonančného obvodu LC naladeného na stred prenášaného pásma.

Iné

• presytky – využívajú sa nelineárne vlastnosti materiálu jadra v okolí nasýtenia, napr. na zosilňovanie
• integrované v elektromotore alebo dyname

Pozri aj

• striedavý prúd
• cievka
• usmerňovač – zo striedavého na jednosmerný prúd
• striedač – z jednosmerného na striedavý alebo zo striedavého na striedavý s inou frekvenciou

Iné projekty

Commons

• Commons ponúka multimediálne súbory na tému Transformátor