Information

Grundlagen des Transformators

Grundlagen des Transformators

Transformatoren sind in allen Bereichen der Elektronik weit verbreitet. Eine ihrer bekanntesten Anwendungen sind Stromversorgungsanwendungen, bei denen die Betriebsspannung von einem Wert in einen anderen umgewandelt wird. Sie dienen auch dazu, den Stromkreis am Ausgang von einer direkten Verbindung zum Primärkreis zu trennen. Auf diese Weise übertragen sie Strom von einem Stromkreis zu einem anderen ohne direkte Verbindung.

Im National Grid werden sehr große Transformatoren verwendet, um die Netzspannungen zwischen den verschiedenen erforderlichen Werten zu ändern. Für Funkamateure oder Heimbegeisterte sind Transformatoren jedoch häufig in Netzteilen zu finden. Transformatoren werden auch häufig in anderen Schaltkreisen von Audio bis zu Radiofrequenzen verwendet, wo ihre Eigenschaften häufig zum Koppeln verschiedener Stufen innerhalb des Geräts verwendet werden.

Was ist ein Transformator?

Ein Basistransformator besteht aus zwei Wicklungen. Diese sind als primäre und sekundäre bekannt. Im Wesentlichen tritt die Kraft in die Primärseite ein und verlässt sie in die Sekundärseite. Einige Transformatoren haben mehr Wicklungen, aber die Betriebsgrundlage ist immer noch dieselbe.

Es gibt zwei Haupteffekte, die in einem Transformator verwendet werden und sich beide auf Strom- und Magnetfelder beziehen. Im ersten Fall wird festgestellt, dass ein in einem Draht fließender Strom ein Magnetfeld um ihn herum erzeugt. Die Größe dieses Feldes ist proportional zum im Draht fließenden Strom. Es wird auch festgestellt, dass das Magnetfeld erhöht wird, wenn der Draht in eine Spule gewickelt wird. Wenn dieses elektrisch erzeugte Magnetfeld in einem vorhandenen Feld platziert wird, wird eine Kraft auf den Draht ausgeübt, der den Strom auf die gleiche Weise führt, wie zwei nahe beieinander platzierte feste Magnete sich entweder anziehen oder abstoßen. Dieses Phänomen wird in Elektromotoren, Zählern und einer Reihe anderer elektrischer Einheiten verwendet.

Der zweite Effekt besteht darin, dass festgestellt wird, dass, wenn sich ein Magnetfeld um einen Leiter ändert, ein elektrischer Strom im Leiter induziert wird. Ein Beispiel hierfür kann auftreten, wenn ein Magnet in die Nähe eines Drahtes oder einer Spule bewegt wird. Unter diesen Umständen wird ein elektrischer Strom induziert, jedoch nur, wenn sich der Magnet bewegt.

Die Kombination der beiden Effekte tritt auf, wenn zwei Drähte oder zwei Spulen zusammengelegt werden. Wenn ein Strom im ersten seine Größe ändert, führt dies zu einer Änderung des Magnetflusses und dies führt wiederum dazu, dass im zweiten ein Strom induziert wird. Dies ist das Grundkonzept eines Transformators, und es ist ersichtlich, dass er nur funktioniert, wenn ein sich ändernder oder wechselnder Strom durch den Eingangs- oder Primärkreis fließt.

Übersetzungsverhältnis des Transformators

Damit ein Strom fließen kann, muss eine EMF (elektromotorische Kraft) vorhanden sein. Diese Potentialdifferenz oder Spannung am Ausgang hängt vom Windungsverhältnis im Transformator ab. Es wird festgestellt, dass, wenn mehr Windungen in der Primärwicklung als in der Sekundärwicklung vorhanden sind, die Spannung am Eingang größer ist als am Ausgang und umgekehrt. Tatsächlich kann die Spannung leicht aus der Kenntnis des Windungsverhältnisses berechnet werden:

Es = ns
Ep np

Wo
Ep ist der primäre EMF
Es ist die sekundäre EMF
np ist die Anzahl der Umdrehungen auf der Primärseite
ns ist die Anzahl der Umdrehungen auf der Sekundärseite

Wenn das Windungsverhältnis ns / np größer als eins ist, gibt der Transformator am Ausgang eine höhere Spannung ab als am Eingang und wird als Aufwärtstransformator bezeichnet. In ähnlicher Weise ist einer mit einem Windungsverhältnis von weniger als eins ein Abwärtstransformator.

Spannungs- und Stromverhältnisse am Transformator

Es gibt eine Reihe anderer Faktoren, die leicht berechnet werden können. Das erste ist das Verhältnis von Eingangs- und Ausgangsströmen und -spannungen. Da die Eingangsleistung gleich der Ausgangsleistung ist, ist es möglich, eine Spannung oder einen Strom zu berechnen, wenn die anderen drei Werte unter Verwendung der unten gezeigten einfachen Formel verwendet werden. Diese Tatsache berücksichtigt keine Verluste im Transformator, die glücklicherweise für die meisten Berechnungen ignoriert werden können.

Vp x Ip = Vs x Is

Nehmen wir zum Beispiel einen Netztransformator, der an einem Ampere 25 Volt abgibt. Bei einer Eingangsspannung von 250 Volt bedeutet dies, dass der Eingangsstrom nur ein Zehntel Ampere beträgt.

Bei einigen Transformatoren ist die Anzahl der Windungen am Primärteil gleich der am Sekundärteil, und Strom und Spannung am Eingang sind gleich wie am Ausgang. Wenn das Windungsverhältnis jedoch nicht 1: 1 ist, unterscheiden sich das Spannungs- und Stromverhältnis am Eingang und am Ausgang. Aus der oben gezeigten einfachen Beziehung ist ersichtlich, dass sich das Verhältnis von Spannung zu Strom zwischen dem Eingang und dem Ausgang ändert. Beispielsweise kann ein Transformator mit einem Windungsverhältnis von 2: 1 einen 20-Volt-Eingang mit einem Strom von 1 Ampere haben, während am Ausgang die Spannung 10 Volt bei 2 Ampere beträgt. Da das Verhältnis von Spannung und Strom die Impedanz bestimmt, ist ersichtlich, dass der Transformator verwendet werden kann, um die Impedanz zwischen dem Eingang und dem Ausgang zu ändern. Tatsächlich ändert sich die Impedanz als das Quadrat des Windungsverhältnisses, gesehen durch:

Zp = np2
Zs ns2

In Benutzung

Transformatoren sind in vielen Anwendungen in Radio und Elektronik weit verbreitet. Eine ihrer Hauptanwendungen sind Netzteile. Hier wird der Transformator verwendet, um die eingehende Netzspannung (in vielen Ländern etwa 240 V und in vielen anderen Ländern 110 V) auf die für die Versorgung der Geräte erforderliche Spannung zu ändern. Bei den meisten heutigen Geräten mit Halbleitertechnologie sind die erforderlichen Spannungen viel niedriger als die des ankommenden Netzes. Darüber hinaus trennt der Transformator die Versorgung der Sekundärseite vom Netz und macht so die Sekundärversorgung viel sicherer. Wenn die Versorgung direkt aus der Netzversorgung entnommen würde, bestünde ein viel größeres Risiko eines Stromschlags.

Ein Leistungstransformator wie der in einem Netzteil verwendete ist im Allgemeinen auf einen Eisenkern gewickelt. Dies wird verwendet, um das Magnetfeld zu konzentrieren und sicherzustellen, dass die Kopplung zwischen Primär- und Sekundärteil sehr eng ist. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad so hoch wie möglich gehalten. Es ist jedoch sehr wichtig sicherzustellen, dass dieser Kern nicht als Wicklung mit einer Windung wirkt. Um dies zu verhindern, sind die Abschnitte des Kerns voneinander isoliert. Tatsächlich besteht der Kern aus mehreren Platten, die jeweils verschachtelt, aber wie gezeigt voneinander isoliert sind.

Die beiden Wicklungen eines Leistungstransformators sind gut voneinander isoliert. Dies verhindert, dass die Sekundärwicklung unter Spannung steht.

Obwohl eine der Hauptanwendungen für Transformatoren, denen der Bastler begegnen wird, die Umwandlung von Versorgungs- oder Netzspannungen auf ein neues Niveau ist, haben sie auch eine Vielzahl anderer Anwendungen, für die sie verwendet werden können. Wenn Ventile verwendet wurden, wurden sie häufig in Audioanwendungen verwendet, um zu ermöglichen, dass Lautsprecher mit niedriger Impedanz von Ventilschaltungen mit einer relativ hohen Ausgangsimpedanz angesteuert werden. Sie werden auch für Hochfrequenzanwendungen verwendet. Die Tatsache, dass sie die Gleichstromkomponenten des Signals isolieren, als Impedanztransformatoren und als abgestimmte Schaltkreise in einem wirken können, bedeutet, dass sie in vielen Schaltkreisen ein wesentliches Element sind. In vielen tragbaren Empfängern stellen diese ZF-Transformatoren die Selektivität für den Empfänger bereit. In dem gezeigten Beispiel ist zu sehen, dass die Primärwicklung des Transformators unter Verwendung eines Kondensators abgestimmt wird, um ihn zur Resonanz zu bringen. Die Einstellung der Resonanzfrequenz erfolgt normalerweise unter Verwendung eines Kerns, der ein- und ausgeschraubt werden kann, um den Induktivitätsbetrag der Spule zu variieren. Der Transformator passt auch die höhere Impedanz der Kollektorstufe der vorherigen Stufe an die niedrigere Impedanz der folgenden Stufe an. Es dient auch dazu, die verschiedenen stationären Spannungen am Kollektor der vorherigen Stufe von der Basis der folgenden Stufe zu isolieren. Wenn die beiden Schaltkreise nicht voneinander isoliert wären, würden die Gleichstromvorspannungsbedingungen für beide Transistoren gestört und keine der Stufen würde korrekt funktionieren. Durch Verwendung eines Transformators können die Stufen für Wechselstromsignale angeschlossen werden, während die Gleichstromvorspannungsbedingungen beibehalten werden.

Zusammenfassung

Der Transformator ist ein unschätzbarer Bestandteil der heutigen Elektronikszene. Trotz der Tatsache, dass integrierte Schaltkreise und andere Halbleiterbauelemente in immer größeren Mengen verwendet werden, gibt es keinen Ersatz für den Transformator. Die Tatsache, dass es in der Lage ist, Strom von einem Stromkreis zu einem anderen zu isolieren und zu übertragen, während die Impedanz geändert wird, stellt sicher, dass es als Werkzeug für Elektronikdesigner einzigartig platziert ist.

Schau das Video: Der Transformator Trafo. Elektrizität. Physik. Lehrerschmidt (Oktober 2020).