Transformatory, zwane również transformatorami, stanowią podstawowy element elektrotechniki. Ich głównym zadaniem jest podwyższanie lub obniżanie napięć i prądów oraz galwaniczne oddzielanie obwodów elektrycznych. Efektywność ich działania zależy nie tylko od jakości użytych materiałów, ale także od zastosowanej konstrukcji. W tej kategorii szczególnie wyróżniają się transformatory toroidalne.
W naszym poradniku dowiesz się, czym różnią się te transformatory od innych, jak działają oraz w jakich zastosowaniach sprawdzają się najlepiej.
Transformator to bierne urządzenie elektryczne, które przekazuje energię elektryczną między jednym a kilkoma obwodami. Działa na zasadzie zmiennego prądu przepływającego przez dowolne uzwojenie, co generuje zmienny strumień magnetyczny w rdzeniu urządzenia. Strumień ten indukuje zmienne napięcie w pozostałych uzwojeniach na tym samym rdzeniu. Dzięki temu możliwe jest przenoszenie energii elektrycznej między oddzielnymi uzwojeniami bez konieczności fizycznego połączenia przewodzącego. Obwody są tym samym galwanicznie odseparowane.
Transformator najczęściej służy do zwiększania niskiego napięcia przy dużym natężeniu prądu lub do obniżania wysokiego napięcia przy małym natężeniu. Znajduje również zastosowanie w łączeniu stopni układów przetwarzania sygnałów. Przy galwanicznym odseparowaniu wartość napięcia wejściowego i wyjściowego pozostaje taka sama.
Od momentu wynalezienia pierwszego transformatora o stałym potencjale w 1885 roku urządzenie to stało się nieodzowne w przesyle, dystrybucji i wykorzystaniu prądu zmiennego. W elektronice i technice elektroenergetycznej stosuje się różne konstrukcje transformatorów, które różnią się rozmiarami i zastosowaniem. Mogą one mieć objętość poniżej jednego centymetra sześciennego, jak w przypadku transformatorów wysokiej częstotliwości, lub ważyć setki ton, pełniąc funkcję łączenia sieci energetycznych.
Transformatory toroidalne zbudowane są wokół pierścieniowego rdzenia, który w zależności od częstotliwości pracy wykonany jest z długiej taśmy ze stali krzemowej, permaloju, proszku żelaznego lub ferrytu. Konstrukcja taśmowa zapewnia optymalne ustawienie granic ziaren, co zwiększa efektywność transformatora.
Zamknięta forma pierścienia eliminuje szczeliny powietrzne, które są nieuniknione w konstrukcji tradycyjnych rdzeni transformatorów. Rdzenie konwencjonalnych transformatorów składają się z laminowanych blach podzielonych na dwa pakiety: jeden przypomina literę E, drugi literę I, co nazywane jest rdzeniem E-I.
Rdzeń transformatora toroidalnego, jak wskazuje nazwa, ma kształt okręgu. Przekrój pierścienia jest zazwyczaj kwadratowy lub prostokątny, choć występują również wersje o przekroju kołowym. Uzwojenia pierwotne i wtórne są często nawijane koncentrycznie, aby pokryć całą powierzchnię rdzenia. Takie rozwiązanie pozwala na minimalizację długości przewodu i zapewnia ochronę przed zakłóceniami elektromagnetycznymi.
Transformatory toroidalne charakteryzują się wyższą sprawnością w porównaniu z tańszymi modelami typu E-I o podobnej mocy. Dodatkowe zalety to około 50% mniejsze wymiary, niższa waga, cichsza praca mechaniczna, co jest szczególnie istotne w przypadku wzmacniaczy audio, oraz zredukowane zewnętrzne pole magnetyczne o około 90%. Oprócz tego wykazują mniejsze straty w stanie jałowym, łatwiejszy montaż przy użyciu jednej śruby oraz większy wybór kształtów. Główne wady obejmują wyższe koszty produkcji oraz ograniczoną maksymalną moc. Ze względu na brak szczeliny w ścieżce magnetycznej, transformatory toroidalne cechują się także wyższym prądem rozruchowym w porównaniu do modeli z rdzeniem E-I.
Rdzenie pierścieniowe z ferrytu są najczęściej używane w zakresie częstotliwości od kilku dziesiątek kiloherców do setek megaherców. Niewiele transformatorów toroidalnych oferuje moc powyżej 10 kilowoltamperów, a praktycznie żadne nie przekraczają 25 kilowoltamperów.
Dławiki i transformatory toroidalne znajdują zastosowanie w wielu rodzajach układów elektronicznych, takich jak zasilacze, falowniki, wzmacniacze, telewizory, radia, komputery oraz systemy audio.
Transformatory toroidalne są dostępne w różnych wersjach, dostosowanych do odmiennych zastosowań. Oprócz modeli o różnych stosunkach uzwojeń dla popularnych napięć, istnieją również warianty z przełożeniem 1:1, które pełnią głównie funkcję transformatorów separacyjnych.
Transformatory z przełożeniem 2:1 lub 1:2 są projektowane do pracy w sieciach prądu zmiennego o napięciu 115 lub 230 V, dostosowując je do podłączanego urządzenia. Modele z kilkoma uzwojeniami mogą być używane zarówno w sieciach 115 V, jak i 230 V. W wielu przypadkach oferują również różne napięcia na uzwojeniach wtórnych.
Transformator z przełożeniem 20:1 przy napięciu sieciowym 230 V jest często stosowany w systemach oświetlenia niskonapięciowego. Na stronie wtórnej zapewnia napięcie 11,5 V, odpowiednie do zasilania lamp halogenowych. Zazwyczaj są one zamknięte w białych obudowach z tworzywa sztucznego, co ułatwia dyskretny montaż sufitowy. Niektóre modele wyposażono w zabezpieczenia przed przegrzaniem i przeciążeniem.
Większość transformatorów toroidalnych posiada swobodne końcówki przewodów do podłączenia. Niektóre modele wyposażono w stałe złącza, zaciski śrubowe lub końcówki lutownicze.
FAQ - często zadawane pytania
Jaka jest różnica między transformatorem toroidalnym o okrągłym przekroju a tym o przekroju prostokątnym?
Transformatory toroidalne z rdzeniem o okrągłym przekroju charakteryzują się lepszymi parametrami niż te z przekrojem prostokątnym. Okrągły przekrój skuteczniej eliminuje niepożądane pola magnetyczne. Ponadto umożliwia krótszą długość uzwojenia na jednostkę powierzchni przekroju, co zmniejsza opór uzwojenia.
Czy wyjścia transformatora toroidalnego z wieloma uzwojeniami mogą być obciążane jednocześnie?
Tak, pod warunkiem, że suma mocy wyjść transformatora toroidalnego nie przekracza jego mocy znamionowej. Przykład: transformator toroidalny z dwoma uzwojeniami i mocą znamionową 500 VA posiada wyjścia 12 V/300 VA oraz 24 V/200 VA. Oba mogą być obciążane równocześnie, ale moc pobierana z wyjścia 12 V nie może przekroczyć 300 VA, a z wyjścia 24 V – 200 VA. W przeciwnym razie transformator pracuje w trybie długotrwałego przeciążenia, co grozi jego uszkodzeniem.