Jak transformátor zvyšuje nebo snižuje napětí?

Transformátory zvyšují nebo snižují střídavé napětí prostřednictvím elektromagnetickou indukcí . Výstupní napětí je určeno především poměrem počtu závitů primárního vinutí k počtu závitů sekundárního vinutí.

Má-li sekundární vinutí více závitů než primární, transformátor napětí zvyšuje. Má-li sekundární vinutí méně závitů, napětí snižuje.

Ačkoli je princip jednoduchý, praktický transformátor musí být navržen také pro požadovaný proud, výkon, frekvenci, izolaci, nárůst teploty, účinnost a platné bezpečnostní normy.

Co je to Transformátor ?

Transformátor je pasivní elektrické zařízení, které přenáší energii mezi dvěma nebo více cívkami prostřednictvím měnícího se magnetického pole.

Konvenční izolační transformátor obsahuje tři hlavní části:

• Primární vinutí: připojené ke vstupnímu zdroji napájení
• Sekundární vinutí: dodává napětí do zátěže
• Magnetické jádro: zajišťuje cestu s nízkým magnetickým odporem pro střídavý magnetický tok

Primární a sekundární cívky jsou obvykle elektricky izolovány, ale magneticky spřaženy prostřednictvím jádra. Tato izolace může zlepšit elektrickou bezpečnost a zabránit přímému vodivému spojení mezi vstupem a výstupem.

Avšak ne každý transformátor poskytuje izolaci. Například aUTOTRANSFORMÁTOR autotransformátor používá sdílenou cívku a proto neposkytuje stejnou galvanickou oddělenost.

Jak funguje transformátor?

Princip činnosti transformátoru je založen na Faradayově zákonu elektromagnetické indukce změnou magnetického toku procházejícího cívkou se v této cívce indukuje elektromotorické napětí.

Tento proces lze pochopit ve třech fázích.

1. Primární vinutí vytváří magnetický tok

Při připojení střídavého napětí na primární vinutí vzniká střídavý proud. Tento proud v jádře transformátoru vytváří měnící se magnetický tok.

2. Jádro spojuje magnetický tok

Magnetické jádro směruje většinu měnícího se toku přes obě vinutí. Materiály jádra a způsob jeho konstrukce jsou vybrány tak, aby zajistily účinné magnetické spřažení a zároveň omezily ztráty vířivými proudy a hysterezí.

3. Sekundární vinutí vyvíjí napětí

Protože měnící se magnetický tok jádra prochází sekundárním vinutím, indukuje v tomto vinutí napětí. Indukované napětí roste s počtem závitů sekundárního vinutí.

Tento vztah vyplývá přímo ze Zákona elektromagnetické indukce od Faradaye a tvoří základ pro transformátory se zvyšujícím i snižujícím napětím. OpenStax University Physics uvádí podrobný odvození rovnic transformátoru.

The Transformátor Vzorec pro poměr závitů

Pro ideální transformátor platí:

Vs / Vp = Ns / Np

Kde:

• Vp = vstupní napětí na primární straně
• Vs = výstupní napětí na sekundární straně
• Np = počet závitů v primárním vinutí
• Ns = počet závitů v sekundárním vinutí

Poměr napětí je tedy rovný poměru počtu závitů vinutí.

Transformátor zvyšující napětí

Transformátor zvyšuje napětí, když:

Ns > Np

Proto:

Vs > Vp

Sekundární vinutí má více závitů než primární vinutí, takže sekundární napětí je vyšší než napětí primární.

Stupňovací transformátor

Transformátor snižuje napětí, když:

Ns < Np

Proto:

Vs < Vp

Sekundární vinutí má méně závitů než primární vinutí, takže sekundární napětí je nižší než napětí primární.

Jedno-jedno izolační transformátor

Když mají primární a sekundární vinutí přibližně stejný počet závitů:

Ns = Np

Proto:

Vs ≈ Vp

Výstupní napětí je přibližně rovné vstupnímu napětí.

Praktický příklad snižujícího transformátoru

Předpokládejme, že transformátor musí převést střídavé napětí 230 V na střídavé napětí 24 V.

Požadovaný poměr závitů je:

Ns / Np = Vs / Vp

Ns / Np = 24 / 230

Ns / Np ≈ 0,104

Pokud má primární vinutí 1 000 závitů:

Ns = 1 000 × 0,104

Ns ≈ 104 závitů

Ideální sekundární vinutí by tedy mělo přibližně 104 závitů.

U skutečného transformátoru může výrobce přidat závity sekundárního vinutí, aby kompenzoval odpor vinutí a pokles napětí za zátěže.

Příklad praktického zvyšujícího transformátoru

Předpokládejme, že transformátor musí zvýšit napětí z 120 V střídavého proudu na 240 V střídavého proudu.

Požadovaný poměr závitů je:

Ns / Np = 240 / 120

Ns / Np = 2

Má-li primární vinutí 500 závitů:

Ns = 500 × 2

Ns = 1 000 závitů

Sekundární vinutí proto vyžaduje přibližně dvojnásobný počet závitů než vinutí primární.

Co se děje s proudem?

Transformátor mění proud v opačném směru než napětí.

U ideálního transformátoru se vstupní výkon rovná výstupnímu výkonu:

Vp × Ip = Vs × Is

Kde:

• Vp = Primární napětí
• Ip = Primární proud
• Vs = Sekundární napětí
• Is = Sekundární proud

Poměr proudů je:

Is / Ip = Np / Ns

Proto:

• Zvyšující transformátor: napětí se zvyšuje a dostupný proud klesá.
• Snižující transformátor: napětí klesá a dostupný proud roste.

Transformátor nevytváří dodatečnou energii. U skutečného transformátoru je výstupní výkon mírně nižší než vstupní výkon kvůli ztrátám v mědě, ztrátám v jádru a jiným ztrátám.

Proč má nízkonapěťové vinutí tlustější vodič?

Sekundární vinutí snižujícího transformátoru obvykle prochází vyšší proud než primární vinutí. Proto obvykle vyžaduje tlustější vodič.

Velikost vodiče musí být vybrána podle:

• Efektivní proud
• Povolené proudové hustoty
• Teplota vinutí
• Teplota okolí
• Výkonový cyklus
• Podmínek chlazení
• Houština izolace
• Dostupného prostoru pro vinutí

Použití příliš tenkého vodiče zvyšuje odpor, úbytek napětí, ztráty v mědi a teplotu vinutí. Příliš vysoká teplota může zkrátit životnost izolace a vytvořit bezpečnostní riziko.

U transformátoru se zvýšeným napětím obvykle používá vinutí s vyšším napětím s větším počtem závitů tenčího vodiče, protože jím prochází menší proud. Přesná velikost vodiče stále vyžaduje inženýrský výpočet.

Proč se transformátory používají pro přenos elektrické energie?

Pro daný přenášený výkon zvyšování napětí snižuje proud:

I = P / V

Kde:

• I = Proud
• P = Výkon
• V = Napětí

Když se napětí zvyšuje, proud potřebný k přenosu stejného výkonu klesá.

Protože je proud ve výše uvedené rovnici umocněn na druhou, snížení proudu může výrazně snížit zahřívání vodičů a ztráty při přenosu.

Proto napájecí systémy používají transformátory s vyšším napětím k zvýšení napětí generátoru pro přenos na velké vzdálenosti. V blízkosti místa spotřeby transformátory se sníženým napětím snižují napětí na vhodnou úroveň pro distribuci a využití. Ministerstvo energetiky USA podobně vysvětluje, že přenos vysokým napětím snižuje požadovaný proud a zmenšuje ztráty vedení. U.S. Department of Energy

Může transformátor pracovat s stejnosměrným proudem?

Klasický transformátor vyžaduje měnící se magnetický tok a proto nemůže trvale transformovat stálé stejnosměrné napětí.

Pokud je stálé stejnosměrné napětí přímo přivedeno na vinutí standardního transformátoru:

• Po počátečním přechodném jevu nenastane žádná trvalá transformační činnost.
• Proud ve vinutí může dosáhnout nebezpečně vysoké hodnoty.
• Jádro se může nasycovat.
• Vinutí se může přehřát nebo selhat.

Elektronické zdroje napájení mohou převádět stejnosměrné napětí tím, že jej nejprve přepínají s řízenou frekvencí. Výsledný střídavý průběh pak může napájet vysokofrekvenční transformátor nebo spřažený induktor. Takto fungují mnohé konvertory typu flyback, forward, push-pull, half-bridge a full-bridge.

Důležitý rozdíl spočívá v tom, že konvenční transformátor nepřevádí ustálený stejnosměrný proud přímo; stejnosměrný proud musí být nejprve elektronicky přepínán.

Ideální rovnice versus skutečné výkonové charakteristiky transformátoru

Rovnice poměru závitů popisuje ideální transformátor. Skutečné transformátory vykazují ztráty a úbytky napětí.

Ztráty v měděném vinutí

Odporové ztráty vodiče jsou:

Ztráta výkonu = I² × R

Pro maximální kompatibilitu s WordPressem lze tento vztah také zapsat jako:

Ztráta výkonu = I × I × R

Kde:

• I = proud protékající vodičem
• R = odpor vodiče

Protože proud je v tomto výpočtu umocněn na druhou, snížení proudu může výrazně snížit ztráty v přenosové lince.

Ztráta v jádře

Střídavé magnetické pole způsobuje hysterezní a vířivé proudové ztráty v jádře. Ztráty v jádře ovlivňují:

• Materiál jádra
• Četnost provozu
• Aplikované napětí
• Počet závitů primárního vinutí
• Plocha průřezu jádra
• Hustota magnetického toku
• Tloušťka laminace

Rozptýlený magnetický tok

Ne všechny magnetické toky propojí obě vinutí. Rozptýlený magnetický tok ovlivňuje regulaci napětí a může způsobit elektromagnetické rušení.

Prázdný tok

I při bezzátěžovém sekundárním vinutí odebírá primární vinutí proud k magnetizaci jádra a k pokrytí ztrát v jádře.

Zvýšení teploty

Měděné a jádrové ztráty vyvolávají teplo. Transformátor musí zůstat v rámci teplotních limitů svého izolačního systému za zadaných zatěžovacích a okolních podmínek.

Regulace napětí

Výstupní napětí se obvykle snižuje mezi bezzátěžovým a plně zatíženým stavem kvůli vnitřnímu impedančnímu účinku.

Regulace napětí lze vyjádřit jako:

Regulace napětí (%) = [(Vbez zátěže − Vplná zátěž) / Vplná zátěž] × 100

Z tohoto důvodu mohou výrobci navrhnout sekundární napětí bez zátěže mírně vyšší než jmenovité výstupní napětí.

Má frekvence vliv na návrh transformátoru?

Ano. Frekvence je kritický parametr návrhu.

Pro sinusový průběh platí přibližný vztah mezi efektivním napětím na vinutí, frekvencí, počtem závitů, průřezem jádra a maximální magnetickou indukcí:

V = 4,44 × f × N × A × Bmax

Kde:

• V = efektivní napětí na vinutí
• f = provozní frekvence v hertzích
• N = počet závitů vinutí
• A = Efektivní průřez jádra
• Bmax = Maximální magnetická indukční hustota

Transformátor určený pro 60 Hz nesmí být automaticky provozován při 50 Hz a stejném napětí. Nižší kmitočet může zvýšit magnetickou indukční hustotu, což může vést ke saturaci jádra, nadměrnému proudu, hluku a přehřátí.

Výrobce musí znát skutečný vstupní kmitočet a rozsah napětí ještě před dokončením návrhu.

Jak zadat transformátor se zvyšujícím nebo snižujícím napětím

Profesionální specifikace transformátoru by měla obsahovat více než jen vstupní a výstupní napětí.

Při žádosti o návrh nebo cenovou nabídku uveďte následující informace:

• Nominální vstupní napětí
• Minimální a maximální vstupní napětí
• Vstupní frekvence
• Požadované výstupní napětí nebo napětí
• Spojité výstupní proudy
• Maximální proud a jeho trvání
• Typ zátěže
• Požadovaný zdánlivý výkon (VA)
• Výkonový cyklus
• Maximální rozměry
• Způsob montáže
• Požadavky na přívodní vodiče nebo svorky
• Teplota okolí
• Podmínky chlazení a ochranného pouzdra
• Maximální povolený nárůst teploty
• Klasifikace izolace
• Požadavky na dielektrickou pevnost
• Požadovaná elektrostatická nebo magnetická stínění
• Požadavky na tepelnou pojistku nebo tepelný ochranný prvek
• Cílová země nebo trh
• Platné požadavky na bezpečnost a životní prostředí
• Odhadované množství výroby

Poskytnutí úplných provozních podmínek pomáhá zabránit nesprávnému dimenzování a zlepšuje regulaci napětí, spolehlivost a životnost.

Nejčastější dotazy

Zvyšuje zvyšovací transformátor výkon?

Ne. Zvyšovací transformátor zvyšuje napětí, ale snižuje dostupný proud. Jeho výstupní výkon je vždy o něco nižší než vstupní výkon, protože reálný transformátor vykazuje ztráty v měděné vinutí, jádře a jiné ztráty.

Poskytuje snižovací transformátor vždy vyšší proud?

Může poskytnout vyšší jmenovitý sekundární proud při přibližně stejné úrovni výkonu, avšak skutečný proud je určen připojenou zátěží a jmenovitou kapacitou transformátoru. Transformátor neprodukuje do zátěže svůj maximální proud nuceně.

Jsou primární a sekundární vinutí propojena?

U izolačního transformátoru jsou elektricky oddělena a spojena prostřednictvím magnetického jádra. U autotransformátoru je část vinutí společná, takže není zajištěna ekvivalentní galvanická izolace.

Může jeden transformátor poskytovat několik výstupních napětí?

Ano. Transformátor může použít více sekundárních vinutí, středově připojená vinutí nebo odbočky na vinutí k poskytnutí různých výstupních napětí.

Jak vypočítám zdánlivý výkon transformátoru ve voltampérech (VA)?

Pro jednoduchý střídavý transformátor se samostatným sekundárním vinutím:

VA = Vs × Is

Kde:

• VA = jmenovitý zdánlivý výkon transformátoru
• Vs = jmenovité sekundární napětí
• Is = jmenovitý sekundární proud

Příklad:

Sekundární napětí = 24 V AC
Sekundární proud = 5 A

VA = 24 × 5

VA = 120 VA

U více sekundárních vinutí se požadovaný celkový zdánlivý výkon (VA) vypočítá z kombinované zátěže vinutí s přiměřeným zohledněním typu zátěže, režimu provozu, účinnosti, regulace, usměrňování a teplotního nárůstu.

Kustomizované transformátory se zvyšujícím a snižujícím napětím od společnosti Dingxin

Společnost Dingxin vyrábí kustomizované transformátory, včetně řešení transformátorů pro zákazníky a zařízení určená pro evropský trh.

Transformátory lze vyvíjet podle stanovených elektrických, mechanických, tepelných a aplikačních požadavků, včetně:

• Kustomizovaná vstupní a výstupní napětí
• Návrhy se zvyšujícím a snižujícím napětím
• Více sekundárních vinutí
• Konstrukce typu EI a toroidní
• aplikace pro frekvenci 50 Hz a 60 Hz
• Kustomizované hodnoty zdánlivého výkonu (VA)
• Vodivé vodiče, svorky, upevňovací konzoly a možnosti montáže
• Elektrostatická stínění
• Tepelné pojistky a tepelné ochrany
• Izolační systémy určené pro konkrétní aplikace
• Návrhy založené na požadavcích zákazníka týkajících se cílového trhu

Konečné požadavky na soulad a certifikaci je nutno potvrdit během inženýrského procesu s ohledem na návrh transformátoru, zamýšlené zařízení a trh určení.

Vyžádejte si individuální návrh transformátoru

Potřebujete transformátor se specifickým poměrem napětí, výkonem, rozměrem, teplotním limitem nebo způsobem instalace?

Zašlete společnosti Dingxin následující informace:

1. Vstupní napětí a frekvence
2. Požadované výstupní napětí a proud
3. Trvalé a špičkové zatěžovací podmínky
4. Maximální rozměry
5. Požadavky na montáž a připojení
6. Provozní teplota
7. Cílový trh a požadavky na soulad
8. Odhadované množství objednávky

Kontaktujte Dingxin ještě dnes, abyste požádali o technickou revizi, individuální návrh transformátoru, vzorek nebo cenovou nabídku.