در مباحث برق و الکترونیکی یکی از نیازها، ایجاد ایزولاسیون و کاهش یا افزایش جریان یا ولتاژ است که یکی از بهترین راهکارها، استفاده از ترانسفورماتور است.
ترانسفورماتور چیست؟
ترانسفورماتور به عنوان یک وسیله الکتریکی غیرفعال تعریف می‌شود که انرژی الکتریکی را از طریق فرآیند القای الکترومغناطیسی از یک مدار به مدار دیگر منتقل میکند. معمولاً برای افزایش یا کاهش سطوح ولتاژ بین مدارها استفاده می‌شود.
اصل کار ترانسفورماتور
اصل کار ترانسفورماتور بسیار ساده است. القای متقابل بین دو یا چند سیم پیچ (همچنین به عنوان سیم‌پیچ شناخته می‌شود) اجازه می‌دهد تا انرژی الکتریکی بین مدارها منتقل شود.
کارکرد ترانسفورماتور
فرض کنید یک سیم‌پیچ دارید که توسط یک منبع الکتریکی متناوب انرژی آن تامین می‌شود. جریان متناوب از طریق سیم‌پیچ، شار متناوب و متغیری را ایجاد می کند که سیم‌پیچ را احاطه میکند.
اگر سیم‌پیچ دیگری به این سیم‌پیچ نزدیک شود، بخشی از این شار متناوب به سیم‌پیچ دوم منتقل می‌شود. از آنجایی که این شار به طور مداوم در دامنه و جهت خود در حال تغییر است، باید یک پیوند شار در حال تغییر در سیم‌پیچ یا سیم‌پیچ دوم وجود داشته باشد.
طبق قانون القای الکترومغناطیسی فارادی، یک EMF در سیم‌پیچ دوم القا می‌شود. اگر مدار این سیم‌پیچ ثانویه بسته باشد، جریانی از آن عبور میکند. این اصل کار یک ترانسفورماتور است.
در معادله زیر می‌بینید که نسبت ولتاژ سیم‌پیچ اولیه (Vp) به ولتاژ سیم‌پیچ ثانویه (Vs) با نسبت تعداد دور سیم‌پیچ اولیه (Np) به تعداد دور سیم‌پیچ ثانویه (Ns) رابطه مستقیم دارد:
Vs/Vp = Ns/Np = Ip/Is
ترانسفورماتور افزایش دهنده و کاهش دهنده چیست؟
اجازه دهید از نمادهای الکتریکی برای کمک به تجسم این موضوع استفاده کنیم. سیم پیچی که نیروی الکتریکی را از منبع دریافت میکند به عنوان “سیم‌پیچ اولیه” شناخته می‌شود.
سیم‌پیچی که ولتاژ خروجی مورد نظر را به دلیل القای متقابل می‌دهد معمولاً به عنوان “سیم‌پیچ ثانویه” شناخته می‌شود.
ترانسفورماتوری که ولتاژ بین سیم‌پیچ های اولیه و ثانویه را افزایش می‌دهد به عنوان ترانسفورماتور افزایش دهنده تعریف می‌شود. برعکس، ترانسفورماتوری که ولتاژ بین سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه را کاهش می‌دهد، به عنوان یک ترانسفورماتور کاهنده تعریف می‌شود.
نسبت دورهای سیم‌پیچ به سطح ولتاژ
افزایش یا کاهش سطح ولتاژ ترانسفورماتور به تعداد نسبی چرخش بین طرف اولیه و ثانویه ترانسفورماتور بستگی دارد.
اگر تعداد دورهای سیم‌پیچ اولیه بیشتر از سیم‌پیچ ثانویه باشد، ولتاژ کاهش می‌یابد.
اگر تعداد دورهای سیم‌پیچ اولیه کمتر از سیم‌پیچ ثانویه باشد، ولتاژ افزایش می‌یابد.
در حالی که نمودار ترانسفورماتور فوق از نظر تئوری یک ترانسفورماتور ایده آل است، خیلی عملی نیست. این به این دلیل است که در هوای آزاد تنها بخش بسیار کوچکی از شار تولید شده از سیم‌پیچ اول به سیم‌پیچ دوم متصل می‌شود. بنابراین جریانی که از مدار بسته متصل به سیم‌پیچ ثانویه عبور میکند بسیار کم خواهد بود (و اندازه گیری آن دشوار است).
نرخ تغییر اتصال شار به مقدار شار متصل شده با سیم‌پیچ دوم بستگی دارد. بنابراین در حالت ایده آل تقریباً تمام جریان سیم‌پیچ اولیه باید به سیم‌پیچ ثانویه متصل شود. این به طور موثر و کارآمد با استفاده از یک ترانسفورماتور نوع هسته ای انجام می‌شود. این یک مسیر با مقاومت مغناطیسی کم برای هر دو سیم‌پیچ را فراهم میکند.
هدف از هسته ترانسفورماتور ارائه مسیری با بارمقاومت مغناطیسی کم است که از طریق آن حداکثر مقدار شار تولید شده توسط سیم‌پیچ اولیه عبورکرده و به سیم پیچ ثانویه متصل می‌شود.
جریانی که در ابتدا هنگام روشن شدن ترانسفورماتور از آن عبور میکند به عنوان جریان هجومی ترانسفورماتور شناخته می‌شود.
قطعات ترانسفورماتور
سه بخش اصلی ترانسفورماتور:
سیم‌پیچ اولیه ترانسفورماتور
هسته مغناطیسی ترانسفورماتور
سیم‌پیچ ثانویه ترانسفورماتور
سیم‌پیچ اولیه ترانسفورماتور
که با اتصال به منبع الکتریکی، شار مغناطیسی تولید میکند.
هسته مغناطیسی ترانسفورماتور
شار مغناطیسی تولید شده توسط سیم‌پیچ اولیه، که از این مسیر با مقاومت کم مرتبط با سیم‌پیچ ثانویه عبور کرده و یک مدار مغناطیسی بسته ایجاد میکند.
سیم‌پیچ ثانویه ترانسفورماتور
شار تولید شده توسط سیم‌پیچ اولیه از هسته عبور میکند و با سیم‌پیچ ثانویه پیوند می‌خورد. این سیم‌پیچ نیز بر روی همان هسته پیچیده می‌شود و خروجی مورد نظر ترانسفورماتور را می‌دهد.
