Vše, co byste měli vědět o transformátorech
Autor: Conrad.cz, 5. říjen 2019
Běžný transformátor. Primární (P) a sekundární (S) vinutí transformátoru
Primární a sekundární napětí přitom nejsou nijak vodivě propojené. Z technického hlediska se zde hovoří o tzv. galvanickém oddělení mezi primární a sekundární částí transformátoru.
Nejjednodušší transformátor se skládá z primární a sekundární cívky, jež jsou navinuté na feromagnetickém jádru. Každá cívka je pak tvořena měděným drátem, který je na svém povrchu opatřen elektroizolačním lakem.
Obsah článku
Obsah článku
Transformátor připojený k síťovému napětí 230 V AC, 50 Hz (primární napětí) a s napětím 9 V AC resp. 12 V AC na výstupu (sekundární napětí)
V závislosti na konstrukci transformátoru a jeho zamýšleném použití může být sekundární napětí nižší, stejné nebo naopak vyšší než primární napětí.
Hodnota výstupního (sekundárního) napětí je přitom určena poměrem otáček (počtem závitů) drátu mezi primární a sekundární cívkou. Jaký elektrický výkon může transformátor přenášet, vždy závisí na průřezu (v mm2) použitého měděného drátu v cívce.
Pro použití požadované hodnoty napětí je možné na primárním a stejně tak i sekundárním vinutí zřídit zvláštní odbočky. Síťové trafo tak může na svém výstupu „sekundáru“ poskytovat hned několik různých hodnot výstupního napětí.
K čemu se transformátory používají v praxi?
Přenos energie
Čím vyšší protéká proud vodičem, tím vyšší jsou energetické ztráty.
Příčinou ztrát je odpor (rezistence) vedení. Pro snížení těchto energetických ztrát je teoreticky možné zvýšit průřez samotného vedení. To však v praxi není možné, neboť náklady na materiál by v takovém případě byly příliš vysoké.
Ideálním řešením je napětí zvýšit s použitím transformátoru a energii pak dále přenášet na velkou vzdálenost. To je přesně případ moderní praxe a důvod, proč se přenáší energie v distribuční síti s napětím v řádech několika tisíc voltů.
Na základě následujícího vzorce je přitom možné vypočítat výkon elektrické energie: P = U x I
Pokud se napětí (U) z elektrárny transformuje na vyšší napětí s faktorem 1000, bude pro výkon přenesené energie (P) o stejný faktor nižší i proud (I).
Energetické ztráty se vypočítají podle vzorce: P = I2 x R (proud2 x odpor vedení) výkon je pak pouze 1/1000000 hodnoty bez transformace. Díky tomu pak může být elektrická energie přenášena na velké vzdálenosti po celé síti bez větších ztrát. V distribuční síti a rozvodnách se tak přenáší energie na hladině několika desítek tisíc voltů a do veřejné sítě k běžným spotřebitelům se transformuje na standardní sdružené napětí 230/400 V.
Elektrické vedení a přenos energie v síti distributora na hladině 10 kV, 22 kV nebo 35 kV
Síťový adaptér
Adaptace napětí
Transformátory jsou i v běžných síťových adaptérech. Síťové napětí 230 V AC je vhodné pro napájení spotřebičů, jako jsou lampy, tepelná tělesa, elektrické nářadí nebo kuchyňské spotřebiče.
Pro tuto hodnotu napětí jsou dostačující vodiče s průřezem 1,5 mm2 a 2,5 mm2. Pro ostatní a zejména elektronické spotřebiče (počítače, rádia, tiskárny a další) je však síťové napětí příliš vysoké.
Z těchto důvodů je zapotřebí přizpůsobit napájecí napětí potřebám konkrétního spotřebiče. K tomuto účelu slouží různé druhy transformátorů. Síťové adaptéry mohou být instalovány přímo uvnitř větších spotřebičů nebo mají podobu externího síťového zdroje (adaptéru), který se připojuje do běžné elektrické zásuvky.
Přenos elektrického signálu
V případě, že mají být signály přenášené z jednoho obvodu do druhého, používají se k tomu účelu transformátory nebo spíše tzv. převodníky.
Klasickým příkladem toho je světelný semafor pro hudební efekty. Zvukové signály zachycené na výstupu reproduktoru musí ovládat elektronické spínače (tyristory), které ovládají světlo v rytmu hudby.
Žárovka takového systému je připojena přímo do sítě 230 V. Z bezpečnostních důvodů je však nepřípustné, aby byl síťový potenciál přenášen zpět do stereo systému. K tomu je proto zapotřebí galvanické oddělení a proto jsou impulzy na výstupu reproduktoru přepnuty na primární cívku transformátoru. Sekundární cívka transformátoru pak generuje impulz pro spínání jednotlivých světelných zdrojů.
Černý blok na levé straně desky je převodník
Princip funkce transformátoru
Po přivedení napětí na primární cívku tzv. „primár“ dojde v okolí této cívky k vytvoření magnetického pole. Toto magnetické pole působí na železné jádro, kde navíc dojde k zesílení magnetického pole.
Velmi brzy poté, co dojde k vytvoření magnetického pole na primární cívce, se intenzita tohoto pole zvyšuje z nuly na maximum. V tomto okamžiku se na sekundární cívce generuje (indukuje) napětí ve formě impulzní špičky (peak).
Pokud bychom na primární cívku připojili zdroj stejnosměrného napětí, došlo by k vytvoření magnetického pole, které má konstantní intenzitu a nemění se. Na sekundární cívce bychom vyjma krátkého spínacího impulzu potom nenaměřili žádné další napětí.
Struktura tohoto izolačního transformátoru velmi jasně demonstruje princip jeho funkce
Důvod, proč se v takovém případě na sekundární cívce nebude indukovat žádné napětí, je ten, že intenzita magnetického pole zůstává stále stejná a nikterak se nemění. Proto běžné transformátory nemohou pracovat se stejnosměrným napětím, ale pouze se zdroji střídavého napětí. U sinusového střídavého napětí, například ve veřejné elektrické síti, okamžitá hodnota osciluje mezi dvěma špičkovými hodnotami.
V důsledku toho se také magnetické pole generované primární cívkou nepřetržitě mění. Na sekundárním vinutí transformátoru se tak může nepřetržitě generovat (indukovat) napětí. Jako alternativu ke střídavému napětí je možné transformátory provozovat s taktovaným stejnosměrným napětím (stejnosměrné napětí, které se velmi rychlém rytmu spíná a vypíná).
Jaký je rozdíl mezi síťovým transformátorem a síťovým adaptérem?
U síťového transformátoru je na primární cívku přivedeno síťové napětí (například 230 V AC z distribuční sítě) a na výstupu (sekundáru) je pak střídavé napětí s určitou hodnotou (například 12 V).
V závislosti na své konstrukci a použití jsou transformátory vestavěny do určitého spotřebiče nebo mají své vlastní pouzdro a příslušné připojovací svorky. Síťový adaptér je také napájen ze zdroje střídavého napětí, vyjma transformátoru však obsahuje také usměrňovač a kondenzátor (C). Tyto adaptéry proto obvykle poskytují stejnosměrné (DC) napětí s konstantní úrovní. Aby napětí na výstupu bylo při jakékoliv zátěži neustále stejné, jsou navíc tyto zdroje vybaveny obvodem pro stabilizaci napětí.
Síťový transformátor (nahoře) a síťový adaptér s usměrňovačem
Elektronický transformátor s výkonem 70 W o rozměrech 11 x 5,5 x 3,5 cm a váze 120 g
Elektronický transformátor
V případě napětí 230 V / 50 Hz v distribuční síti generuje 50 sinusových vln během jedné sekundy. Subjektivně se jedná o vysokou rychlost, pakliže se polarita napětí a tím i směr proudu mění 100x za sekundu. V elektronice je však frekvence 50 Hz velmi nízká a proto nedostatečná.
Pakliže je požadavek na transformaci napětí s vysokým výkonem, je zapotřebí velkých, výkonných a těžkých transformátorů. Z důvodů úspory materiálu, hmotnosti, prostoru a nákladů přišli vývojáři s myšlenkou pro daleko rychlejší řízení transformátorů. K tomu bylo zapotřebí vytvořit stejnosměrné napětí ze síťového napětí sítě 230 V. Toto stejnosměrné napětí se spíná pomocí elektronického spínače s požadovanou frekvencí častěji než tisíc Hertzů na primární cívce transformátoru. Vzhledem k tomu, že tento transformátor pracuje na mnohem vyšší frekvenci, je při stejném výkonu daleko menší, lehčí a s daleko nižšími pořizovacími náklady na konstrukční materiál, než je jeho síťový „50 Hz kolega“.
Praktické použití: Na schématu je ve zjednodušené podobě technické provedení elektronického transformátoru. Můstkový usměrňovač převádí síťové napětí 230 V na stejnosměrné napětí o hodnotě přibližně 320 V. Toto stejnosměrné napětí je vyhlazeno pomocí dvou kondenzátorů (C1 a C2). Každý z těchto kondenzátorů se nabíjí na napětí přibližně 160 V (polovina z hodnoty stejnosměrného napětí).
Oba elektronické spínače (S1) a (S2) jsou řízeny tak, že v jednom okamžiku je možné sepnout pouze jeden spínač. Pokud však dojde k sepnutí obou prvků najednou, jistící prvek odpojí obvod od zdroje napájení (dojde k přerušení pojistky SI). Pokud je sepnutý spínač S1, nabíjí se kondenzátor C2 prostřednictvím horní (primární) cívky síťového trafa (TR1) na plné provozní napětí. Ve stejném okamžiku se vybíjí kondenzátor C1 přes spínač S1 a síťový transformátor. V této fázi protéká proud primární cívkou zleva doprava.
Zjednodušený obvod elektronického transformátoru
Pokud se rozepne spínač S1 a spínač S2 je sepnutý, kondenzátor C1 se může nabíjet na plné provozní napětí a kondenzátor C2 se bude vybíjet. Proud protékající primární cívkou v té době poteče zprava doleva. Obousměrné přepínání se opakuje více než 10 000x za sekundu. Výsledkem je, že ve spodní cívce (sekundárním vinutí) je generováno napětí 12 V pro napájení připojené žárovky (L).
Které typy transformátorů Conrad nabízí?
Síťové transformátory
Tyto transformátory se používají pro převod síťového napětí 230 V na napětí vhodné pro napájení konkrétního spotřebiče.
Transformátory se instalují buď přímo do spotřebiče nebo například do rozvaděče. Pro průmyslové aplikace jsou k dispozici transformátory se vstupním napětím 400 V a více. Při výběru vhodného transformátoru musí být vyjma vstupního (primárního) a výstupního (sekundárního) napětí zohledněn i jeho výkon. Pro zdroj napětí 12 V s max. proudem 3 A můžete vybrat transformátor podle následujícího vzorce: 12 V x 3 A = 36 VA x faktor 1,4 = 50 VA (voltampér)
Klasické síťové transformátory s možností montáže na vhodný podklad
Faktor 1,4 udává to, že transformátor má při max. zatížení výstupní výkon přibližně 70 %. V důsledku toho transformátor nebude přetížený ani při dlouhodobém maximálním zatížení.
Bezpečnostní transformátory
Mezi síťové transformátory patří i tzv. bezpečnostní nebo jinak i ochranné transformátory. Tyto transformátory splňují speciální bezpečnostní požadavky a podléhají při výrobě a pozdějším testování přísnějším zkušebním podmínkám. Z důvodu zajištění maximální bezpečnosti jsou tyto transformátory odolné proti zkratu a mají výrazně zesílenou izolaci. Tím je zajištěno, že v případě poruchy nemůže dojít k elektrickému spojení primárního a sekundárního vinutí. Bezpečnostní transformátory jsou navíc často vybaveny ochrannými přístroji nebo pojistkami.
Bezpečnostní transformátor v krytu a pojistkami
Řídicí transformátory se používají v průmyslovém sektoru
Řídicí transformátory
Tento druh transformátorů se používá v průmyslovém sektoru, v energetické a automatizační technice i jako výbava běžných nebo průmyslových rozvaděčů. Řídicí transformátory zajišťují spolehlivé napájení řídicích a pomocných obvodů a díky odbočkám umožňují dokonalé přizpůsobení místní energetické síti. V případě poruchy na transformátoru dochází k maximálnímu omezení zkratového proudu. Zároveň tyto transformátory dokáží účinně eliminovat rušení, ke kterému dochází při spínání každé indukční zátěže.
Kompaktní síťové transformátory
Tento druh transformátorů patří mezi nejběžnější. Vyjma samotného transformátoru jsou jeho součástí i další komponenty jako je usměrňovač a nabíjecí, elektrolytický kondenzátor. Na sekundárním vinutí poskytují tyto transformátory výhradně stejnosměrné napětí (DC).
Pro účely experimentování jsou na pouzdře transformátoru k dispozici i různé hodnoty střídavého napětí. Obsluha se v takovém případě může sama rozhodnout, zda použije pro napájení obvodu stejnosměrné napětí například s nabíjecím kondenzátorem.
Kompaktní síťový transformátor vhodný pro účely experimentování v oblasti elektroniky
Transformátory s bočními úchyty pro upevnění na desky spojů (PCB)
Transformátory určené pro montáž na desky s tištěnými spoji
Tyto transformátory s bočními úchyty pro upevnění na desky spojů (PCB) slouží coby výkonové transformátory pro menší spotřebiče, které nemají větší energetické nároky.
Deskové transformátory jsou zalité v plastovém pouzdře a kontakty mají vyvedeny ve své spodní části. Díky této konstrukci jsou předurčeny pro montáž do desky s tištěnými/plošnými spoji. U menších transformátorů je mechanická pevnost na desce zajištěna pájením spojů. Větší transformátory se pak většinou k desce šroubují.
Při výběru vhodného deskového transformátoru je vyjma základních výkonových parametrů – hodnota primárního a sekundárního napětí a proudu, nezbytné ujistit se o přesných rozměrech připojovacích pinů (kontaktů) transformátoru.
Halogenové transformátory
Tento typ transformátoru byl v minulosti přednostně používán pro napájení nízkonapěťových halogenových žárovek. Vzhledem k jejich velkým rozměrům však byly velmi nepraktické, těžké a také drahé.
V průběhu doby pak došlo k vývoji halogenových transformátorů v elektronické podobě, které bylo daleko snazší instalovat například do krytu svítidla. Problém u těchto transformátorů může vzniknout při výměně halogenových žárovek za LED zdroje.
Vzhledem k velmi malému provoznímu proudu LED není možné dosáhnout minimálního zatížení transformátoru, které je nezbytné pro jeho provoz.
Tenký design umožňuje skrytou instalaci
Oválná konstrukce přináší řadu výhod, ale také vyšší náklady
Toroidní transformátory
Oválná konstrukce těchto transformátorů přináší řadu výhod na jedné straně, na druhé straně pak znamená především vyšší výrobní a tedy i pořizovací náklady. Díky kruhovému provedení mají tyto toroidní transformátory výrazně lepší účinnost než běžné blokové transformátory.
Stejně tak rozptyl magnetického pole za provozu tohoto transformátoru je daleko menší. Pro tyto vlastnosti se tak toroidní trafa často instalují do různých Hi-Fi systémů a jiných elektronických spotřebičů citlivých na elektromagnetické rušení.
Další velkou výhodou toroidních transformátorů jsou velmi malé rozměry, nízká hmotnost, žádný zvuk za provozu (typické bzučení u běžných transformátorů) a absence prakticky jakýchkoliv interferencí. Všechny tyto vlastnosti se však při výrobě odráží do výsledné ceny, která je pak daleko vyšší, než je tomu u jiných druhů transformátorů. Výkonné toroidní transformátory navíc vždy vyžadují omezovač spínacího proudu například ve formě PTC (termistoru).
Předřadníky
Tento druh transformátoru se používá k úpravě napětí. Jedná se například o požadavek na zprovoznění spotřebiče vyráběného v USA a určeného pro napájení z tamní sítě s napětím 110 V / 60 Hz a jeho další instalaci v evropské síti s napětím 230 V / 50 Hz.
Předřadníky však dokáží upravit pouze napětí, nikoliv síťovou frekvenci. Ve většině případů však uvedený rozdíl v síťové frekvenci (50/60) není pro provoz spotřebiče nijak podstatný. Na většině moderních předřadníků je přitom možné upravit hodnotu výstupního napětí pro potřeby konkrétního spotřebiče.
Předřadník s příslušným výstupem ve formě elektrické zásuvky
Tyto transformátory mohou generovat různá výstupní napětí
Regulovatelné transformátory
Tento druh transformátoru může na výstupu dodávat požadovanou hodnotu napětí. Regulovatelné transformátory se přitom používají především v měřicí a regulační technice, v elektronických laboratořích a v sektoru služeb.
Tyto transformátory mohou generovat různá výstupní napětí. Nastavení požadované hodnoty napětí na výstupu se provádí pomocí posuvného kontaktu na prstencovité cívce transformátoru. Díky možnosti regulace je například možné nastavit vhodné napětí pro připojený spotřebič (například TV), u něhož dochází během provozu k různým napěťovým výkyvům.
Takové transformátory mohou být navržené jako autotransformátor pouze s jedním vinutím bez galvanického oddělení (viz schéma na dalším obrázku) nebo jako regulovatelný oddělovací transformátor se dvěma vinutími.
Autotransformátory
Autotransformátor se obvykle skládá pouze z jednoho vinutí, které má jedno nebo několik odboček pro výstupní napětí.
Tyto transformátory se používají v případě, kdy hodnoty vstupního a výstupního napětí jsou velmi podobné a autotransformátor pouze převádí rozdíl mezi vstupním a výstupním napětím. Tento druh transformátoru však nemá k dispozici galvanické oddělení mezi vstupním a výstupním napětím.
Autotransformátor tvoří pouze jediné vinutí
Laboratorní transformátor s možností regulace výkonu a galvanickým oddělením
Laboratorní transformátory
Laboratorní transformátory se používají v oblasti vývoje, servisu nebo při opravách elektronických obvodů.
Aby nemohlo při práci na transformátoru dojít ke zkratu nebo úrazu elektrickým proudem, musí být jeho obvod nebo systém, na kterém probíhají práce, zcela izolován od síťového potenciálu. Toto galvanického oddělení je dosaženo pomocí oddělovacího transformátoru, ke kterému se připojuje opravovaný systém.
Izolační transformátory mají buď pevně nastavené výstupní napětí, nebo možnost individuálně regulovat napětí na výstupu. V tomto případě se jedná také o regulovatelný transformátor. Z důvodů galvanického oddělení nemají tyto izolační transformátory na výstupu k dispozici žádný ochranný kontakt ani v případě integrované zásuvky.
Důležité upozornění! Oddělovací transformátor musí mít vždy o něco vyšší výkon, než připojené zařízení.
ELA transformátory
Provoz několika reproduktorů pouze s jedním zesilovačem není vždy možný, neboť všechny reproduktory nelze vždy navzájem propojit. Přesto je v některém prostředí (například v restauracích nebo hotelech) požadavek na simultánní provoz několika reproduktorů najednou.
K tomuto účelu se používají tzv. ELA audio transformátory. Na výstupu zesilovače je připojen ELA transformátor, který má na primární straně (na vstupu) stejné hodnoty jako reproduktor. Signály zesilovače (hudba nebo řeč) jsou následně transformovány až na sekundární stranu transformátoru ELA (100 V).
Reproduktory (LS1 – LS4) používají také ELA transformátor, který dokáže transformovat vysoké impulzy ze zesilovače (100 V) na napětí kompatibilní s tímto reproduktorem. V obvodu 100 V pak může být bez problémů připojeno paralelně několik ELA transformátorů s příslušnými reproduktory. Délka kabelů mezi jednotlivými reproduktory a zesilovačem pak nehrají žádnou roli.
Prostřednictvím ELA transformátorů můžete současně provozovat několik reproduktorů najednou
Transformátory jsou spíše o kvalitě signálu než o výkonu
Miniaturní transformátory
Tyto miniaturní transformátory se používají v aplikacích, kde je kladen důraz na přenos kvalitního signálu, spíše než pro účely vysokého provozního výkonu.
Fungují přitom stejně jako běžné transformátory s tím rozdílem, že neposkytují vysoký výkon při určité frekvenci. Ba naopak. Mini transformátor musí být schopen, například v aplikaci jako audio vysílač pro mikrofon, zajistit maximální možnou kvalitu se zachováním celého frekvenčního spektra.
Obvody mikrofonu a zesilovače přitom nejsou vzájemně elektricky nijak spojeny (galvanické oddělení). Používají se také v různých napájecích zdrojích nebo ve vysokofrekvenčních, digitálních aplikacích, kde slouží jako impulzní transformátory a nemusí tak splňovat požadavky pro zachováním celého frekvenčního pásma.
FAQ
Proč některé transformátory „bzučí“?
Pokud transformátor bzučí, slyšíte tak mechanickou rezonanci transformátoru v síťové frekvenci 50 Hz. Tento zvuk je však většinou slyšet pouze z důvodu nepříznivých okolních podmínek. Pokud je pro osvětlení použito transformátoru v sítí nízkého napětí a instalujete jej například do sádrokartonového podhledu, může okolní materiál působit jako zesilovač rezonancí a bzučení tak bude daleko více patrné.
Proč se výkon transformátoru uvádí pouze v jednotce VA (voltampér)?
Důvodem toho je, že transformátor patří mezi klasickou indukční zátěž, a to díky jeho cívce, kterou tvoří měděný vodič (drát). Výkon se proto standardně udává ve VA než ve W (wattech).
Je možné ovládat výkon zátěže připojené k transformátoru?
V podstatě ano, pokud ale použitý regulátor udává výkon ve VA. Tyto regulátory (stmívače) jsou vhodné pro běžné transformátory s cívkami. Pokud je ale výkon stmívače specifikován ve wattech (W), je takový stmívač určený pouze pro klasickou odporovou zátěž (například žárovky). Elektronické transformátory se používají k regulaci výkonu a řízení fáze nejčastěji s použitím triaku. K tomuto účelu používané stmívače mají na svém pouzdře příslušné označení nebo přímo označení „Vhodné pro elektronické transformátory“ nebo „Určeno pro stmívání LED zdrojů“.
Je možné spínání cívek transformátoru paralelně nebo v sérii?
V případě, že má transformátor 2 identické výstupy (sekundární napětí), je možné tyto cívky pro účely zvýšení napětí spojit do série nebo zapojit paralelně pro zvýšení proudu. Při spojování výstupů je však nezbytné věnovat maximální pozornost polaritě výstupu a propojit tak vždy pouze správné vývody.
Proč je železné jádro transformátoru vyrobeno z tenkých plechů?
U výkonových transformátorů jsou plechy (destičky ze slitiny železa a křemíku) vrstveny na sebe tak, aby vytvořily jádro samotného transformátoru. Jednotlivé plechy jsou od sebe vzájemně izolovány proto, aby se zabránilo ztrátám způsobeným vířivými proudy v jádru transformátoru. Pakliže dojde k poškození izolace v některém místě, vede to během provozu k podstatně vyššímu ohřevu jádra.
Jaký je rozdíl u síťového transformátoru mezi primární a sekundární cívkou?
Primární cívku tvoří tenký drát s mnoha závity. Průřez drátu a počet závitů pak dimenzuje výkon, který musí být schopen transformátor přenést. V sekundární cívce je drát s daleko větším průřezem a má daleko méně závitů. Celkový počet závitů pak odráží napětí, které se generuje na výstupu (sekundáru). Použitý průřez pak má vliv na proud, který může být na sekundární cívce generován.
Souhrn
Transformátory převádějí elektrickou energii do magnetického pole a z magnetického pole zpět na elektrickou energii. Tento princip je natolik dokonalý, že se za více než 100 let od jejich vynálezu nepodařilo přijít s ničím lepším.
Díky jejich relativně jednoduché konstrukci, použití robustních materiálů a absenci mechanicky pohyblivých částí mají transformátory extrémně dlouhou provozní životnost a velmi nízké náklady na údržbu. Proto je však zapotřebí, aby každý transformátor byl vždy provozován v souladu s jeho určením a technickou specifikací.
Současnými vývojáři je na transformátorech nejvíce oceňována jednoduchost a bezproblémový provoz. I v dnešní moderní době proto najdete tyto spolehlivé elektrické přístroje ve většině strojů a spotřebičů.