Om du har varit hållt på med elektriska apparater under någon tid skulle du antagligen ha hört talas om transformatorn.
Vad är en transformator?
En transformator är en enhet som använder principerna för elektromagnetism för att konvertera en spänning eller ström till en annan. Det består av ett par isolerade trådar lindade runt en magnetisk kärna. Lindningen till vilken vi ansluter spänningen eller strömmen som ska konverteras kallas primärlindningen och utgångslindningen kallas sekundärlindningen.
Transformatorer finns i två varianter – steg upp, som ökar spänningen eller strömmen, och steg ned, vilket minskar spänningen eller strömingången. Till exempel är transformatorerna i din mikrovågsugn en sekundär transformator som används för att leverera cirka 2200 volt till vakuumröret i mikrovågsugnen.
En sak att notera är att transformatorer bara arbetar med växlande eller växelspänningar och fungerar inte med likström. Vi ska nu lära oss varför.
Hur viktigt är transformatorer i elsystemet?
Det var omkring 1856 när två lysande sinnen Nikola Tesla och Thomas Edison hade en rivalitet mot varandra. Det var de tider då elektricitet och dess applikationer att tända en glödlampa och köra en motor bara märktes. Det var Edison och hans medarbetare som först upptäckte DC (Direct Current) -systemet, sedan en tid efter det Tesla kom med sitt AC-system (växelström). Sedan dess försökte båda bevisa att deras system är mer fördelaktigt än det andra.
Då är det dags för hus att få el. Medan Edison var upptagen med att demonstrera hur farlig växelström är genom att elchokera elefanter, kom Tesla och hans team med transformatorerna som gjorde överföring av elektricitet mycket enklare och effektivare. Till och med, idag spelar transformatorer en viktig roll i överföringssystemet. Låt oss ta reda på varför.
Att sända el med höga spänningar och låga strömmar hjälper oss att minska överföringstrådens tjocklek och därmed kostnaden, det ökar också systemets effektivitet. Av detta skäl kan ett standardöverföringssystem vara allt mellan 22KV och 66KV, medan vissa generatorer i kraftverket har en utgångsspänning på endast 11 kV och hushållens AC-apparat endast kräver 220V / 110V. Så var sker denna spänningskonvertering och vem gör det.
Svaret på frågan är transformatorer. Från kraftverket till ditt hem kommer det att finnas transformatorer i systemet som antingen stiger upp (ökar spänningen) eller avtar (minskar spänningen) spänningen för att upprätthålla systemets effektivitet. Det är därför transformatorerna kallas som hjärtat i ett elektriskt transmissionssystem. Vi kommer att lära dig mer om dem i den här artikeln.
Kretssymbolen för en transformatorer är helt enkelt två induktorer sammansatta sida vid sida som delar samma kärna. Karaktären på linjen mellan de två lindningarna indikerar vilken typ av kärna som används: En streckad linje representerar ferrit, två parallella linjer representerar laminerat järn och ingen linje representerar luftkärna.
Ibland används mängden el som en grov indikator för transformatorfunktionen – mindre el på ena sidan och mer på den andra kan innebära att den första sidan har ett mindre antal varv än den andra.
Arbeta med en transformator
För att förstå hur en transformator fungerar måste vi gå tillbaka i tiden till Michael Faradays laboratorium.
Michael Faraday kan kanske kallas transformatorns far, eftersom det var hans experiment som hjälpte oss att förstå elektromagnetismen och utveckla enheter som motorer och generatorer.
I slutet av 1800-talet, när det upptäcktes att elektricitet och magnetism var relaterade fenomen, fanns det ett lopp för att försöka bygga en praktisk anordning som kunde utnyttja magneterna för att generera elektricitet.
Faraday fick reda på att el kunde genereras genom att föra en magnet nära en trådspole. Det han upptäckte var att spänningen kommer att produceras endast när magnetfältet förändrades, det vill säga om han flyttade antingen spolen eller magneten relativt den andra.
Strömmen är jämn och magnetfältet likaså. Eftersom fältet är stadigt och inte förändras, induceras ingen spänning på sekundären och transformatorn ser bara ut som en normal spole av resistiv tråd till strömförsörjningen. Så transformatorer fungerar inte med likström.
Han fann också att när två trådspolar hölls nära varandra kan en ström som flyter i en spole inducera ström i den andra spolen. Denna princip kallas ömsesidig induktion och reglerar funktionen för alla moderna transformatorer.
Syftet med att ha en kärna är att luft inte är ett särskilt bra stöd för magnetfält, så att en magnetisk kärna ökar magnetfältet för en viss ström som strömmar genom en lindning, vilket i sin tur skapar en starkare ström i den andra, öka enhetens totala effektivitet.
När en ström passerar genom det primära, sätts ett magnetfält upp i kärnan och är mestadels begränsat till kärnan.
Detta magnetfält passerar genom mitten av sekundären och inducerar följaktligen en ström i den andra genom lagen om ömsesidig induktion.
Det fina med detta system är att förhållandet mellan ingångsspänningen och utgångsspänningen helt enkelt är förhållandet mellan primär- och sekundärlindningarna, sammanfattat med denna formel: Vout / Vin = Nsec / Npri
Där Vout är utgångsspänningen, Vin är insignalen, Nsec är antalet varv i sekundärlindningen och Npri är antalet varv i primärlindningen.
Så om du har två transformatorer, en med 100 varv på primär och 1000 på sekundär och en annan med 10 varv på primär och 100 varv på sekundär, kan du beräkna svängningsförhållandet till 1:10 för båda, så de båda stegar upp spänningen till samma nivå.
Transformatoregenskaper
Om vi tittar närmare på exemplet ovan kommer den första transformatorn att ha ett större lindningsmotstånd (eftersom mer tråd används) och i vissa fall kan det begränsa mängden ström som kan dras från transformatorn.
Den här egenskapen kallas lindningsmotstånd, men i de flesta fall spelar den ingen roll eftersom koppartråden i allmänhet har ett lågt motstånd.
En annan sak som du märker är att det inte finns någon direkt elektrisk anslutning mellan primär- och sekundärlindningarna. Detta kallas galvanisk isolering och kan vara mycket användbart, som vi kommer att se.
När vi tittar på var och en av transformatorns lindningar kan vi se att de är konstruerade precis som induktorer – en trådspole lindad runt en magnetisk kärna – och också har en induktans.
Transformatorkonstruktion
För alla som behöver linda sina egna transformatorer är en kunskap om transformatorkonstruktion avgörande.
En transformator består av några få grundkomponenter:
Spolen är den grundläggande ramen för alla transformatorer. Den tillhandahåller en spole för att linda lindningarna och håller också kärnan på plats. Det består vanligtvis av en värmebeständig plast. Den innehåller ibland metallstift på vilka du kan löda lindningarna på lindningarna om du till exempel vill montera den på ett kretskort.
Detta är förmodligen den viktigaste delen av transformatorn. Kärnorna kan komma i många former och storlekar. Det är de magnetiska egenskaperna hos kärnan som bestämmer de elektriska egenskaperna hos transformatorn som är byggd runt kärnan.
Den tråd som används i konstruktionen är lika viktig som alla andra aspekter. Fast emaljerad koppartråd används vanligtvis eftersom isoleringen är stark och tunn, så det blir inget slösat utrymme på grund av isolerande plastmantlar.
Leave a Reply