KursyPoradnikiInspirujące DIYForum

Transformator – budowa, zasada działania i zastosowanie

Transformator – budowa, zasada działania i zastosowanie

Transformator to element elektroniczny, który przekształca energię. W praktyce kojarzy się go np. z zasilaczami, w których pozwala zmniejszyć napięcie z 230 V na niższe, np. 12 V.

Z tego artykułu dowiesz się m.in., jak działa i jak jest zbudowany transformator, jakie są jego zalety i gdzie go można znaleźć.

Czego dowiesz się z tego artykułu?

Będziesz wiedział, jakie jest zadanie transformatora, jak jest zbudowany i jaka jest główna zasada jego działania. Oprócz tego znajdziesz tutaj informacje o mocy transformatorów, ich sprawności oraz o tzw. przekładni napięciowej. Dowiesz się również, czym jest transformator sztywny oraz uzwojenie bifilarne.

Oprócz tego garść praktycznych informacji, które powinien znać każdy początkujący elektronik, bo podstawy są takie same – niezależnie od tego, czy chodzi o potężne transformatory energetyczne, czy małe transformatory wykorzystywane przez hobbystów.

Czym jest transformator?

Z punktu widzenia elektronika transformator to jeden z podstawowych elementów elektronicznych, który służy do przenoszenia energii z jednego obwodu elektrycznego do drugiego. W przypadku tego elementu najważniejsze są następujące aspekty: przekazywanie energii i przekształcanie napięć.

Bezprzewodowe przekazywanie energii

Energia elektryczna jest w transformatorze przekazywana bezprzewodowo, za pośrednictwem pola magnetycznego. Nie chodzi tutaj o przekazywanie energii na duże odległości, energia elektryczna jest przenoszona między jednym a drugim uzwojeniem. Znajdują się one blisko siebie, ale nie ma między nimi „tradycyjnego” połączenia elektrycznego.

Uzwojenia transformatora są od siebie odizolowane, co jest dużym atutem. W większości praktycznych zastosowań transformator może zapewnić (i zapewnia) separację – fizyczne oddzielenie jednego obwodu od drugiego, czyli tzw. izolację galwaniczną.

Zmiana wartości napięcia

W praktyce bardzo ważne jest to, że transformator, zgodnie z nazwą, często służy do przekształcania (łacińskie transformare znaczy „przekształcać”), a konkretnie – do zmiany wartości napięcia. W sprzęcie powszechnego użytku najczęściej mamy do czynienia z transformatorami obniżającymi, zamieniającymi niebezpieczne napięcie sieci energetycznej 230 V na dużo niższe, bezpieczne napięcie, rzędu kilku do kilkudziesięciu woltów.

Jak działa transformator?

Klasyczny transformator składa się z dwóch uzwojeń, które są umieszczone blisko siebie. Podstawą działania transformatora jest pole magnetyczne, które powinno obejmować oba uzwojenia. Z kilku względów w większości transformatorów uzwojenia są umieszczane na wspólnym (ferromagnetycznym) rdzeniu. W literaturze spotyka się różne symbole, którymi na schematach oznacza się transformatory – widoczne są tam dwa (oddzielone od siebie) uzwojenia.

Symbol transformatora na schematach ideowych (różne wersje)

Symbol transformatora na schematach ideowych (różne wersje)

Graficzne symbole po części pomagają zrozumieć budowę i działanie transformatora. Ponieważ jednak w większości transformatorów duże znaczenie ma ferromagnetyczny rdzeń, lepiej pokazać działanie transformatora tak, jak robi to poniższa ilustracja. Rdzeń jest swego rodzaju prowadnicą dla pola magnetycznego.

Budowa klasycznego transformatora z rdzeniem. Na pomarańczowo zaznaczono uzwojenie pierwotne, na czerwono uzwojenie wtórne, na niebiesko strumień magnetyczny, a na szaro rdzeń transformatora

Budowa klasycznego transformatora z rdzeniem. Na pomarańczowo zaznaczono uzwojenie pierwotne, na czerwono uzwojenie wtórne, na niebiesko strumień magnetyczny, a na szaro rdzeń transformatora

Podstawowe elementy składowe transformatora to:

  1. dwa uzwojenia lub więcej (najczęściej wykonane z izolowanego miedzianego drutu),
  2. ferromagnetyczny rdzeń,
  3. karkas, na którym nawija się uzwojenia (najczęściej wykonany z tworzywa sztucznego).
Przykładowy transformator, na którym wyraźnie widać dwa oddzielone od siebie uzwojenia (grubszy i cieńszy drut)

Przykładowy transformator, na którym wyraźnie widać dwa oddzielone od siebie uzwojenia (grubszy i cieńszy drut)

Działanie transformatora najprościej można opisać tak: sinusoidalnie zmienny prąd płynący przez uzwojenie pierwotne wytwarza sinusoidalnie zmienne pole magnetyczne (co opisuje prawo Ampère’a), które obejmuje uzwojenie wtórne. To zmienne pole magnetyczne indukuje w uzwojeniu wtórnym napięcie sinusoidalnie zmienne (co opisuje prawo indukcji Faradaya). A jeżeli w uzwojeniu wtórnym występuje napięcie, to po dołączeniu doń obciążenia może tam popłynąć prąd.

Idea działania transformatora

Idea działania transformatora

Warto podkreślić, że każdy transformator jest odwracalny, tzn. może równie dobrze przenosić energię w obie strony, jak pokazuje poniższy rysunek. Niekiedy jest to wykorzystywane w praktyce przez elektroników – hobbystów, którzy za pomocą dwóch jednakowych transformatorów realizują niezbędne podczas niektórych pomiarów oddzielenie galwaniczne od sieci energetycznej.

Prosty sposób oddzielenia galwanicznego od sieci energetycznej

Prosty sposób oddzielenia galwanicznego od sieci energetycznej

Klasyczne transformatory sieciowe pracują przy sinusoidalnym kształcie napięć na obu uzwojeniach, jednak transformator może pracować z przebiegami o innym kształcie. W praktyce bardzo często transformatory pracują z prostokątnymi przebiegami napięć. Takie transformatory często nazywane są transformatorami impulsowymi – elementy takie można znaleźć np. we współczesnych impulsowych zasilaczach sieciowych.

Transformator i prąd stały?

Warto odnieść się do powszechnej opinii, że „transformator musi pracować przy prądzie przemiennym i nie może pracować przy prądzie stałym”. Takie stwierdzenie ma uzasadnienie praktyczne, zwłaszcza w aparaturze audio, ale nie jest do końca prawdą, a wręcz jest mylące.

Należałoby raczej powiedzieć, że przy prądzie stałym występuje problem tzw. nasycenia rdzenia. W niektórych impulsowych zasilaczach sieciowych (w tzw. konfiguracji forward) transformator pracuje właśnie przy napięciach stałych i trzeba stosować środki przeciwdziałające nasycaniu rdzenia. Jest to jednak odrębny, trudny temat, który nie będzie poruszany w tym artykule.

Jak jest zbudowany transformator?

Istnieją różne odmiany transformatorów. Element ten w swej istocie to połączenie dwóch cewek objętych wspólnym polem magnetycznym. Jednak dwie oddzielne cewki nie stanowią transformatora. W transformatorze celem jest to, żeby pole magnetyczne wytwarzane przez uzwojenie pierwotne obejmowało w pełni (w pełni oddziaływało na) uzwojenie wtórne.

Na pewno korzystne, a zwykle absolutnie konieczne z kilku względów jest umieszczenie obu uzwojeń na wspólnym rdzeniu. Opracowano różne rozwiązania konstrukcyjne będące kompromisem między jakością parametrów technicznych i kosztami wytworzenia.

Przykłady miniaturowych transformatorów, które można wlutować wprost na PCB

Przykłady miniaturowych transformatorów, które można wlutować wprost na PCB

A jeżeli chodzi o uzwojenia transformatora, to pod pewnymi względami bliskie ideału jest tzw. uzwojenie bifilarne, czyli wykonywane jednocześnie dwoma drutami, przewodami. Uzwojenia bifilarne (trifilarne itd.) są używane głównie w technice radiowej. Nie są stosowane w transformatorach do zasilaczy sieciowych, ponieważ uzwojenie bifilarne nie zapewnia niezbędnego oddzielenia – nie pozwala zrealizować tzw. odstępów izolacyjnych, wymaganych przez obowiązujące przepisy.

Także z innych względów w wielu transformatorach impulsowych stosowane są różne, na pozór dziwne sposoby realizacji uzwojeń, m.in. zamiast drutu wykorzystuje się płaską taśmę miedzianą – folię. To są jednak zaawansowane zagadnienia. Trzeba natomiast podkreślić, że mnóstwo transformatorów ma więcej niż dwa uzwojenia, w tym tzw. uzwojenia z odczepem, dzięki czemu jeden transformator może dostarczyć jednocześnie np. dwa różne napięcia.

Przykładowe transformatory z wieloma uzwojeniami

Przykładowe transformatory z wieloma uzwojeniami

Sprawność transformatora

W hipotetycznie idealnym transformatorze cała energia (moc) dostarczana do uzwojenia pierwotnego bez żadnych strat zostaje przekazana dalej, do obwodu uzwojenia wtórnego i do obciążenia. Jednak w transformatorze rzeczywistym zawsze jakaś część dostarczanej mocy zamienia się na ciepło, zarówno w obu uzwojeniach, jak i – co ważne – w rdzeniu.

Straty transformatora

Straty transformatora

Nie można zbudować transformatora o idealnej, 100-procentowej sprawności. Jednak istnieją sposoby zmniejszania strat, zarówno tzw. strat w miedzi (w uzwojeniach), jak i tzw. strat w żelazie (w rdzeniu) – to jednak wiąże się z kosztami. Występują tu zawiłe zależności, dlatego projektowanie transformatorów oraz optymalizacja ich parametrów to była i jest bardzo trudna sztuka.

Można przyjąć, że w tanim sprzęcie powszechnego użytku stosowane są ekonomiczne transformatory o sprawności energetycznej 70–90%. Warto wiedzieć, że popularne duże transformatory energetyczne montowane na słupach często mają sprawność ponad 99%.

Przykład transformatora na słupie elektrycznym

Przykład transformatora na słupie elektrycznym

Przekładnia transformatora

Transformator może zmieniać wartości napięcia i prądu. Podstawowa zależność jest banalnie prosta: napięcie na uzwojeniach jest wprost proporcjonalne do liczby zwojów. Stosunek liczb zwojów obu uzwojeń wyznacza w oczywisty sposób stosunek napięć.

W idealnym przypadku przekładnią transformatora nazywamy stosunek liczb zwojów uzwojenia pierwotnego i wtórnego, który tu jest równy stosunkowi napięć uzwojenia pierwotnego i wtórnego.

Przykłady napięć w idealnym transformatorze, gdzie N oznacza liczbę zwojów

Przykłady napięć w idealnym transformatorze, gdzie N oznacza liczbę zwojów

Sprawa się komplikuje w przypadku rzeczywistego transformatora, który ma niezerowe rezystancje uzwojeń, co jest powodem tzw. strat w miedzi (P = R), i w którym występują straty mocy w rdzeniu. Można to w uproszczony sposób przedstawić na schemacie zastępczym.

Uproszczony schemat zastępczy transformatora

Uproszczony schemat zastępczy transformatora

Wprawdzie w uzwojeniach takiego niedoskonałego transformatora w zasadzie występują (indukują się) napięcia takie jak w idealnym transformatorze, ale też występują spadki napięć na rezystancjach. To powoduje, że stosunek napięć realnie występujących na zaciskach transformatora nie jest dokładnie taki jak stosunek liczb zwojów uzwojeń.

Dlatego w literaturze mówi się o (teoretycznej) przekładni zwojowej (NP / NS) oraz (odrobinę bardziej praktycznej) przekładni napięciowej. W praktyce elektronika znaczenie może mieć tylko pojęcie przekładni zwojowej (stosunek liczb zwojów) – i to jedynie przy projektowaniu transformatorów. Natomiast problem niedoskonałości i strat nie jest wyrażany za pomocą pojęcia przekładni napięciowej, ponieważ w praktyce stosunek napięć z obu stron transformatora zależy od prądu i mocy obciążenia.

Sztywność transformatora

W przypadku transformatorów sieciowych mówi się o ich „sztywności”. Transformator sztywny to taki, którego napięcie wtórne pod obciążeniem zmienia się niewiele. W pozornie gorszym transformatorze „miękkim” napięcie wyjściowe po obciążeniu prądem nominalnym zmienia się znacznie – w małych transformatorach sieciowych nawet o połowę.

Zdziwienie mniej zorientowanych budzi też informacja o mocy transformatorów. Otóż dokładniejsza analiza zasady działania wskazuje, że teoretycznie nawet maleńki transformator mógłby przenieść dowolnie dużą moc! Tak, ale w praktyce ograniczeniem są właśnie nieuniknione straty „w miedzi i w żelazie”, reprezentowane na wcześniejszej ilustracji przez rezystancje.

Są to straty w postaci ciepła, które powodują wzrost temperatury uzwojeń i rdzenia. W praktyce moc ogranicza maksymalna dopuszczalna temperatura, przy czym głównym ograniczeniem jest maksymalna bezpieczna temperatura pracy lakieru użytego do izolacji drutu uzwojeń.

Rodzaje i zastosowanie transformatorów

Największe są transformatory energetyczne – na co dzień widzimy te mniejsze, instalowane w okolicy na słupach, niesłusznie nazywane transformatorami wysokiego napięcia. Z kolei z najmniejszymi transformatorami (impulsowymi) mamy do czynienia w informatycznym sprzęcie komputerowym – stosowane są np. w obwodach gniazdek służących do podłączenia przewodów sieciowych.

Przez lata bezwzględnie dominowały transformatory sieciowe (spotykane do dziś w starych zasilaczach) z rdzeniem z cienkich blach, mających kształt liter EI, rzadziej CI.

Klasyczne transformatory z rdzeniem z blaszek – kształtek EI

Klasyczne transformatory z rdzeniem z blaszek – kształtek EI

Podobne, tylko trochę inaczej projektowane transformatory pracowały i pracują jako transformatory głośnikowe i separacyjne w sprzęcie audio, głównie we wzmacniaczach lampowych.

Później opracowano lepsze transformatory sieciowe, wykorzystujące tzw. rdzenie zwijane w kształt zaokrąglonego prostokąta. Ze względów technologicznych były one przecinane, a po zmontowaniu karkasu z uzwojeniami mocno ściskane obejmą (lutowaną lub skręcaną śrubami).

Transformatory sieciowe z rdzeniem zwijanym

Transformatory sieciowe z rdzeniem zwijanym

Jeszcze lepszym rozwiązaniem jest zastosowanie nieprzecinanego rdzenia zwijanego w postaci toroidu (dętki, opony), na który bezpośrednio są nawinięte uzwojenia. Tutaj problemem technologicznym było nawijanie większej liczby zwojów. Dlatego toroidalne transformatory sieciowe upowszechniły się na rynku dopiero pod koniec XX wieku.

Toroidalne transformatory sieciowe

Toroidalne transformatory sieciowe

Aktualnie wszystkie rodzaje klasycznych transformatorów sieciowych (230 V, 50 Hz) są rzadko używane, ponieważ w zasilaczach sieciowych powszechnie stosowane są rozmaite przetwornice impulsowe.

Zasilacze impulsowe również zawierają transformator, wymagany przez przepisy dla zagwarantowania bezpiecznego oddzielenia galwanicznego. Takie transformatory do zasilaczy sieciowych pracują z impulsami o częstotliwości od kilkudziesięciu do kilkuset kiloherców, niektóre nawet więcej. Przy tak wysokich częstotliwościach nie stosuje się już rdzeni z blach, tylko albo tzw. ferryty, albo różne rodzaje rdzeni, ogólnie nazywanych – nie zawsze słusznie – proszkowymi.

Przykłady transformatorów impulsowych i radiowych

Przykłady transformatorów impulsowych i radiowych

Rdzenie ferrytowe i proszkowe stosuje się w transformatorach pracujących w urządzeniach radiowych oraz w transformatorach impulsowych w rozmaitym współczesnym sprzęcie.

Łączenie transformatorów

Transformatory można łączyć, po to by – jak to się mówi – „coś zwiększyć”. W praktyce – zwiększyć moc i napięcie, ale raczej nie prąd. Jednak z kilku względów nie jest to zadanie dla początkujących elektroników, bo mogą tu wystąpić różne przykre niespodzianki, w tym przegrzanie i zniszczenie. Stąd temat ten nie został poruszony w ramach tego krótkiego wprowadzenia dla początkujących.

Piotr Górecki

Czy wpis był pomocny? Oceń go:

Średnia ocena 4.7 / 5. Głosów łącznie: 217

Nikt jeszcze nie głosował, bądź pierwszy!

Artykuł nie był pomocny? Jak możemy go poprawić? Wpisz swoje sugestie poniżej. Jeśli masz pytanie to zadaj je w komentarzu - ten formularz jest anonimowy, nie będziemy mogli Ci odpowiedzieć!

O autorze: Piotr Górecki

Piotr Górecki
Popularyzator elektroniki, konstruktor z ponad 30-letnim doświadczeniem, autor książek i tysięcy artykułów omawiających różne aspekty elektroniki.

prąd, transformator, uzwojenie

Trwa ładowanie komentarzy...