Rôzne typy transformátorov a ich aplikácie

Transformátor je často používané zariadenie v elektrickej a elektronickej oblasti. Jedná sa o elektromagnetické zariadenie, ktoré dodržiava základný princíp elektromagnetizmu objavený Michaelom Faradayom. Konštrukcii a prevádzke transformátorov sme sa podrobne venovali v predchádzajúcom tutoriále. Tu pokryjeme rôzne typy transformátorov používaných v rôznych typoch aplikácií. Všetky typy transformátorov však dodržiavajú rovnaké princípy, ale majú odlišnú konštrukčnú metódu. A s trochou úsilia môžete tiež zostaviť svoj vlastný transformátor, ale pri jeho zostavovaní by ste mali vždy dodržiavať techniky ochrany transformátora.

Typy transformátorov založené na úrovni napätia

Transformátor môže mať rôzne typy konštrukcie. Transformátor nemá žiadne elektrické spojenie z jednej strany na druhú; stále môžu dve elektricky nezávislé cievky viesť elektrinu elektromagnetickým tokom. Transformátor môže mať viac cievok alebo vinutí na primárnej aj na sekundárnej strane. V niekoľkých prípadoch je niekoľko primárnych strán, kde sú dve cievky zapojené do série, často nazývané ako stredové odbočky. Tento stav so stredovým závitom je tiež viditeľný na sekundárnej strane.

Transformátory môžu byť konštruované tak, že dokážu prevádzať úroveň napätia na primárnej strane na sekundárnu stranu. V závislosti od úrovne napätia má transformátor tri kategórie. Krok dole, krok hore a izolačný transformátor. Pre izolačný transformátor je úroveň napätia rovnaká pre obe strany.

1. Transformátor s postupným znižovaním

Transformátor sa používa v elektronike aj v elektronike. Transformátor s postupným znižovaním prevádza úroveň primárneho napätia na nižšie napätie na sekundárnom výstupe. To sa dosiahne pomerom primárneho a sekundárneho vinutia. U transformátorov s postupným znižovaním je počet vinutí na primárnej strane vyšší ako na sekundárnej strane. Celkový pomer navíjania primárneho a sekundárneho signálu preto vždy zostáva viac ako 1.

V elektronike pracuje veľa aplikácií na 5V, 6V, 9V, 12V, 24V alebo v niektorých prípadoch na 48V. Na premenu jednofázového napájacieho napätia 230 V AC na požadovanú nízku úroveň napätia sú potrebné transformátory Step Down. V prístrojovom vybavení, ako aj v mnohých elektrických typoch zariadení je pre výkonovú časť primárnou požiadavkou transformátor zostupu. Používajú sa tiež v napájacích adaptéroch a obvodoch nabíjačiek mobilných telefónov.

V elektrických rozvodných systémoch, ktoré pracujú na veľmi vysokom napätí, sa v elektrickej rozvodnej sústave používajú transformátory znižujúce napätie, ktoré zaisťujú nízke straty a nákladovo efektívne riešenie požiadaviek na dodávku energie na veľké vzdialenosti. Na premenu vysokého napätia na nízkonapäťové napájacie vedenie sa používa transformátor znižovania napätia.

2. Step-Up transformátor

Krokový transformátor je presne opačný k postupnému transformátoru. Zosilňovací transformátor zvyšuje nízke primárne napätie na vysoké sekundárne napätie. Opäť sa to dosiahne pomerom pomeru primárneho a sekundárneho vinutia. Pre transformátor Step Up zostáva pomer primárneho a sekundárneho vinutia menší ako 1. To znamená, že počet závitov v sekundárnom vinutí je vyšší ako v primárnom vinutí.

V elektronike sa zosilňovacie transformátory často používajú v stabilizátoroch, invertoroch atď., Kde sa nízke napätie mení na oveľa vyššie napätie.

Krokový transformátor sa používa aj v rozvodoch elektrickej energie. Pre aplikácie súvisiace s distribúciou energie je potrebné vysoké napätie. Zosilňovací transformátor sa v sieti používa na zvýšenie úrovne napätia pred distribúciou.

3. Izolačný transformátor

Izolačný transformátor neprevodzuje žiadne úrovne napätia. Primárne napätie a sekundárne napätie izolačného transformátora zostávajú vždy rovnaké. Je to tak preto, lebo pomer primárneho a sekundárneho vinutia je vždy rovný 1. To znamená, že počet závitov v primárnom a sekundárnom vinutí je rovnaký v izolačnom transformátore.

Izolačný transformátor sa používa na izoláciu primárneho a sekundárneho. Ako už bolo diskutované, transformátor nemá žiadne elektrické spojenie medzi primárnym a sekundárnym, používa sa tiež ako izolačná bariéra, kde sa vedenie deje iba s magnetickým tokom. Používa sa z bezpečnostných dôvodov a na potlačenie prenosu hluku z primárneho na sekundárny alebo naopak.

Typy transformátorov založené na jadre

Transformátor prenáša energiu vedením elektromagnetického toku cez materiál jadra. Rôzne materiály jadra vytvárajú rôznu hustotu toku. V závislosti od materiálov jadra sa v energetickej a elektronickej oblasti používa niekoľko typov transformátorov.

1. Transformátor so železným jadrom

Transformátor so železným jadrom používa ako materiál jadra niekoľko dosiek z mäkkého železa. Vďaka vynikajúcim magnetickým vlastnostiam železa je väzba toku transformátora so železným jadrom veľmi vysoká. Účinnosť transformátora so železným jadrom je teda tiež vysoká.

Dosky z mäkkého železa môžu byť dostupné vo viacerých tvaroch a veľkostiach. Cievky primárneho a sekundárneho vinutia alebo obalené na cievke. Potom je formovač cievky namontovaný v doskách jadra z mäkkého železa. V závislosti na veľkosti a tvaroch jadier je na trhu k dispozícii iný typ dosiek jadier. Niekoľko bežných tvarov je E, I, U, L atď. Železné platne sú tenké a niekoľko platní je zoskupených, aby vytvorili skutočné jadro. Napríklad jadrá typu E sú vyrobené z tenkých platní so vzhľadom písmena E.

Transformátory so železným jadrom sú široko používané a zvyčajne sú ťažšie z hľadiska hmotnosti a tvaru.

2. Transformátor s feritovým jadrom

Transformátor s feritovým jadrom používa feritové jadro kvôli vysokej magnetickej permeabilite. Tento typ transformátora ponúka vo vysokofrekvenčnej aplikácii veľmi nízke straty. Z tohto dôvodu sa transformátory s feritovým jadrom používajú vo vysokofrekvenčných aplikáciách, ako napríklad v spínaných zdrojoch napájania (SMPS), v RF aplikáciách atď.

Transformátory s feritovým jadrom tiež ponúkajú iný typ tvarov, veľkosti v závislosti od požiadaviek aplikácie. Používa sa hlavne v elektronike a nie v elektrických aplikáciách. Najbežnejším tvarom vo transformátore s feritovým jadrom je jadro E.

3. Transformátor s toroidným jadrom

Transformátor toroidného jadra používa materiál jadra v tvare toroidu, napríklad železné jadro alebo feritové jadro. Toroidy sú jadrový materiál v tvare krúžku alebo koblihy a široko používaný pre vynikajúci elektrický výkon. Vďaka tvaru prstenca je indukčnosť úniku veľmi nízka a ponúka veľmi vysokú indukčnosť a Q faktory. Vinutia sú pomerne krátke a hmotnosť je oveľa menšia ako tradičné transformátory s rovnakým hodnotením.

4. Transformátor vzduchového jadra

Transformátor vzduchového jadra nepoužíva ako materiál jadra žiadne fyzické magnetické jadro. Prepojenie toku transformátora vzduch-jadro je úplne vykonané pomocou vzduchu.

V transformátore so vzduchovým jadrom je primárna cievka napájaná striedavým prúdom, ktorý vytvára okolo nej elektromagnetické pole. Keď je sekundárna cievka umiestnená vo vnútri magnetického poľa, podľa Faradayovho zákona indukcie, je sekundárna cievka indukovaná magnetickým poľom, ktoré sa ďalej používa na napájanie záťaže.

Transformátor vzduchového jadra však produkuje nízku vzájomnú indukčnosť v porovnaní s fyzickým materiálom jadra, ako je železné alebo feritové jadro.

Používa sa v prenosnej elektronike, ako aj v aplikáciách súvisiacich s rádiofrekvenciou. Vzhľadom na absenciu fyzického materiálu jadra je veľmi ľahký z hľadiska hmotnosti. Správne vyladený transformátor vzduchového jadra sa tiež používa v riešeniach bezdrôtového nabíjania, kde sú primárne vinutia skonštruované vo vnútri nabíjačky a sekundárne vinutia sú umiestnené vo vnútri cieľového zariadenia.

Typy transformátorov založené na usporiadaní vinutia

Transformátor je možné klasifikovať pomocou príkazov na navíjanie. Jedným z populárnych typov sú transformátory s automatickým navíjaním.

Transformátor s automatickým navíjaním

Primárne a sekundárne vinutie je doteraz pevné, ale v prípade transformátora s automatickým vinutím je možné primárne a sekundárne vinutie zapojiť do série a uzol so stredovým odbočením je pohyblivý. V závislosti na polohe stredového odbočenia sa môže meniť sekundárne napätie.

Auto nie je krátka forma automatiky; je to skôr upozornenie na vlastnú cievku alebo samostatnú cievku. Táto cievka vytvára pomer, ktorý sa skladá z dvoch častí, primárnej a sekundárnej. Poloha stredného odbočovacieho uzla určuje primárny a sekundárny pomer, čím sa mení výstupné napätie.

Najbežnejším používaním je V ARIAC, nástroj na výrobu premenlivého striedavého prúdu zo stabilného striedavého vstupu. Používa sa tiež v aplikáciách týkajúcich sa prenosu a distribúcie energie, kde je potrebné často meniť vysokonapäťové vedenia.

Typy transformátorov založené na použití

Existuje tiež niekoľko typov transformátorov, ktoré pracujú v konkrétnej doméne. V elektronickom aj elektrickom sektore sa niekoľko vyhradených transformátorov používa ako stupňovitý alebo stupňový transformátor na základe aplikácie. Transformátory teda možno podľa použitia klasifikovať takto:

1. Doména napájania

• Silový transformátor
• Merací transformátor
• Distribučný transformátor

2. Doména elektroniky

• Pulzný transformátor
• Transformátor zvukového výstupu

1. Transformátory používané v doméne Power

V elektrotechnike sa doména Power zaoberá výrobou, meraním a distribúciou energie. Je to však veľmi veľké pole, kde sú transformátory nevyhnutnou súčasťou na zaistenie bezpečnej premeny energie a úspešného dodania energie do rozvodne a ku koncovým používateľom.

Transformátory, ktoré sa používajú v energetickej oblasti, môžu byť vonkajšie aj vnútorné, ale väčšinou vonkajšie.

a) silový transformátor

Výkonové transformátory sú väčších rozmerov a používajú sa na prenos energie do rozvodne alebo na verejné napájanie elektrickou energiou. Tento transformátor slúži ako most medzi generátorom energie a primárnou distribučnou sieťou. V závislosti na menovitom výkone a špecifikácii možno výkonové transformátory ďalej klasifikovať do troch kategórií: Malý výkonový transformátor, Stredný výkonový transformátor a Veľký výkonový transformátor. Menovitý výkon môže byť od 30 kVA do 500 - 700 kVA, alebo v niektorých prípadoch môže byť rovnaký alebo viac ako 7000 kVA pre transformátor s malým menovitým výkonom. Stredne dimenzovaný výkonový transformátor môže byť až 50 - 100 MVA, zatiaľ čo veľké výkonové transformátory sú schopné zvládnuť viac ako 100 MVA.

Z dôvodu veľmi vysokej výroby energie je rozhodujúca aj konštrukcia výkonového transformátora. Konštrukcia obsahuje pevné izolačné periférie a vyvážený chladiaci systém. Najčastejšie výkonové transformátory sú plnené olejmi.

Hlavným princípom silového transformátora je prevádzať nízkonapäťový vysoký prúd na vysokonapäťový nízky prúd. Toto je potrebné na minimalizáciu straty energie v systéme distribúcie energie.

Ďalším dôležitým parametrom výkonového transformátora je dostupnosť fázy. Výkonové transformátory zvyčajne pracujú v trojfázových systémoch, ale v niektorých prípadoch sa používajú aj jednofázové malé výkonové transformátory. Trojfázové výkonové transformátory sú najnákladnejšie a najefektívnejšie ako jednofázové výkonové transformátory.

b) Merací transformátor

Merací transformátor sa často označuje ako prístrojový transformátor. Toto je ďalší bežne používaný merací prístroj v energetickej oblasti. Merací transformátor sa používa na izoláciu hlavného napájania a na prevod prúdu a napätia v menšom pomere na jeho sekundárny výstup. Meraním výstupu je možné merať fázu, prúd a napätie skutočného elektrického vedenia.

Vyššie uvedený obrázok ukazuje konštrukciu prúdového transformátora.

c) Distribučný transformátor

Používa sa to v poslednej fáze systému distribúcie energie. Distribučné transformátory sú transformátor zostupný, ktorý prevádza vysoké sieťové napätie na napätie požadované koncovým zákazníkom, 110 V alebo 230 V. Môže to byť tiež jednofázové alebo trojfázové.

Distribučné transformátory môžu mať menší aj väčší tvar, v závislosti od konverznej kapacity alebo výkonov.

Distribučné transformátory je možné ďalej kategorizovať podľa typu použitej izolácie. Môže to byť suchý typ alebo môže byť ponorený do kvapaliny. Vyrába sa pomocou vrstvených oceľových dosiek, ktoré sú väčšinou vyrobené z materiálu C ako materiál jadra.

Distribučný transformátor má tiež iný typ klasifikácie podľa umiestnenia, v ktorom sa používa. Transformátor je možné namontovať na stĺp, ak je to tak, nazýva sa to distribučný transformátor namontovaný na stĺp. Môže byť umiestnený vo vnútri podzemnej komory, namontovaný na betónovej podložke (distribučný transformátor namontovaný na podložke) alebo vo vnútri uzavretej oceľovej skrinky.

Distribučné transformátory majú spravidla výkon menší ako 200 kVA.

2. Transformátor používaný v doméne elektroniky

V elektronike sa používajú rôzne malé miniatúrne transformátory, ktoré môžu byť namontované na DPS alebo môžu byť pripevnené vo vnútri krytu malého produktu.

a) Pulzný transformátor

Impulzné transformátory sú jedným z najbežnejších transformátorov namontovaných na DPS, ktoré produkujú elektrické impulzy s konštantnou amplitúdou. Používa sa v rôznych digitálnych obvodoch, kde je potrebné generovanie impulzu v izolovanom prostredí. Preto impulzné transformátory izolujú primárny a sekundárny obvod a distribuujú primárne impulzy do sekundárneho obvodu, často digitálnych logických hradiel alebo budičov.

Správne zostavené impulzné transformátory by mali vyžadovať správne galvanické oddelenie, ako aj malý únik a túlavú kapacitu.

(b) Transformátor zvukového výstupu

Audio Transformer je ďalší bežne používaný transformátor v elektronickej oblasti. Špeciálne sa používa v aplikáciách súvisiacich so zvukom, kde sa vyžaduje prispôsobenie impedancie. Audio transformátor vyvažuje obvod zosilňovača a zaťaženie, zvyčajne reproduktor. Audio transformátor môže mať viac primárnych a sekundárnych cievok, oddelených alebo stredových závitníkov.

Pokryli sme teda rôzne druhy transformátorov, okrem toho, že existujú aj nejaké ďalšie špeciálne transformátory, ktoré však nepatria do rozsahu tohto článku.