Jak sugeruje nazwa, transformatory szeregowe to transformatory sieciowe podłączone przed obciążeniem. Służą one do dostosowania różnych napięć.
Jest to konieczne na przykład w przypadku amerykańskich elektronarzędzi do pracy w Europie - i odwrotnie.
W naszym poradniku informujemy o funkcjach i konstrukcji takich konwerterów oraz udzielamy wskazówek dotyczących ich zakupu.
Jak już wspomniano, elektronika transformatorów wstępnych służy do przekształcania różnych napięć sieciowych. W USA, Japonii i Kanadzie jednofazowy prąd zmienny ma napięcie od 110 do 120 woltów, podczas gdy w Europie, Australii i Chinach wynosi ono od 220 do 240 woltów.
Aby amerykański silnik prądu zmiennego mógł działać poprawnie w Polsce, konieczne jest podwojenie napięcia zasilania. Właśnie to robią transformatory zmieniające napięcie. Na wejściu transformatora podłącza się go do sieci za pomocą standardowego przewodu zakończonego europejską wtyczką. W obudowie transformatora znajduje się natomiast gniazdko wzorowane na amerykańskim standardzie, do którego podłącza się silnik elektryczny. Jeśli transformator zmieniający napięcie jest skonstruowany jako transformator autotransformatorowy, oferuje różne napięcia wyjściowe, na przykład 115, 125, 230 lub 240 woltów. Dzięki temu obsługiwane są wszystkie popularne napięcia sieciowe, w tym również europejskie. W takich autotransformatorach często znajduje się także dodatkowe gniazdko w standardzie europejskim.
Transformatory zmieniające napięcie występują w dwóch wersjach: jako przetworniki step-up, które przekształcają niskie napięcie wejściowe w wyższe na wyjściu, oraz jako przetworniki step-down, które obniżają wyższe napięcie wejściowe.
Należy jednak pamiętać, że transformatory te zmieniają jedynie napięcie, a nie częstotliwość prądu sieciowego. W krajach o napięciu 220–240 woltów częstotliwość wynosi 50 Hz, natomiast w tych, gdzie napięcie wynosi 110–120 woltów, częstotliwość to 60 Hz. Jeśli do transformatora zmieniającego napięcie zostanie podłączona maszyna, której działanie opiera się na lokalnej częstotliwości sieciowej, mogą wystąpić problemy. W takich przypadkach rozwiązaniem jest zastosowanie przetwornika częstotliwości.
Transformator zmieniający napięcie przeznaczony jest do pracy w zakresie niskich napięć, do 1000 V. Wykorzystuje on zasadę indukcji elektromagnetycznej do zamiany energii elektrycznej na magnetyczną i odwrotnie, działając podobnie jak standardowy zasilacz do urządzeń elektrycznych.
Jak każdy transformator czy zasilacz, składa się z dwóch zwojów drutu, z których jeden nazywany jest uzwojeniem pierwotnym (7) , a drugi uzwojeniem wtórnym (8) . Strona pierwotna transformatora pochłania prąd (1), a strona wtórna emituje prąd (4). Obie cewki są splecione na żelaznym rdzeniu (5), nie będąc ze sobą w kontakcie elektrycznym. Rdzeń magnetyczny jest zwykle wykonany z miękkiego materiału magnetycznego składającego się z połączonych ze sobą laminatów w celu zmniejszenia strat energii spowodowanych prądami wirowymi. Rdzeń umożliwia transfer (6) prądu z jednej cewki do drugiej. Gdy uzwojenie pierwotne jest podłączone do sieci, generowane pole magnetyczne przenosi napięcie na uzwojenie wtórne.
Decydującym czynnikiem jest tutaj przepływ magnetyczny w cewkach i w rdzeniu, który zależy między innymi od liczby zwojów: Im większa różnica między uzwojeniami, tym większa różnica między napięciem wejściowym i wyjściowym. W przetwornicy obniżającej napięcie, cewka pierwotna zawiera znacznie więcej uzwojeń niż cewka wtórna. W konwerterze step-up jest odwrotnie. Autotransformatory step-up mają odczepy na cewce wtórnej, aby zapewnić różne napięcia wyjściowe.
Najpierw należy określić, w jakim kierunku ma przebiegać konwersja napięcia w układzie zasilającym – czy potrzebny jest konwerter podwyższający (Step-Up), czy obniżający (Step-Down). Na rynku dostępne są zarówno autotransformatory o różnych napięciach wyjściowych, jak i uniwersalne konwertery, które mogą zarówno obniżać, jak i podwyższać napięcie sieciowe. Istotne jest również, aby urządzenie było wyposażone w odpowiednie systemy wtyczek.
Jednym z kluczowych kryteriów wyboru jest moc, czyli iloczyn napięcia i prądu na wyjściu transformatora. W niektórych przypadkach zamiast watów (W) używa się jednostki VA (voltamper), ponieważ transformator jest urządzeniem indukcyjnym, a zatem dotyczy go tzw. moc pozorna. W przeciwieństwie do mocy czynnej wyrażanej w watach, moc pozorna uwzględnia również moc bierną indukcyjną.
Zakres mocy wyjściowej transformatorów jest dość szeroki – od kilkuset watów do kilku kilowatów. Należy jednak pamiętać, że mimo wysokiej sprawności elektrycznej, transformatorów nie powinno się eksploatować na granicy ich maksymalnej mocy. Podczas pracy istnieje ryzyko wystąpienia skoków prądu, które mogą uszkodzić elementy elektroniczne i uzwojenia transformatora, zwłaszcza przy długotrwałym obciążeniu.
Zasadą jest, że moc transformatora powinna być co najmniej o 20% większa niż maksymalne zapotrzebowanie mocy podłączonego urządzenia. Jest to szczególnie ważne w przypadku sprzętów z silnikami elektrycznymi, takich jak lodówki, zamrażarki, kompresory, elektronarzędzia czy pompy. Silniki te w momencie rozruchu wymagają znacznie większego prądu, co może powodować krótkotrwały spadek napięcia wyjściowego.
Jaka jest różnica między przekładnikiem napięciowym a regulatorem napięcia?
Regulator napięcia działa zarówno jako przetwornik napięcia, jak i stabilizator napięcia. Stabilizuje on napięcie sieciowe po stronie wyjściowej do stałej wartości. Regulatory napięcia są zwykle stosowane w krajach, w których napięcie sieciowe może ulegać znacznym wahaniom. Stabilizacja wynosi zwykle plus lub minus 4 procent, na przykład prąd sieciowy o napięciu od 180 do 260 woltów jest stabilizowany do 220 woltów.
Czy istnieją również skalibrowane transformatory zmieniające napięcie?
Zdecydowana większość transformatorów zmieniających napięcie dostępnych na rynku jest kalibrowana fabrycznie . Jeśli jednak certyfikaty są wymagane lub zalecane przez prawo, wskazane jest nabycie transformatora skalibrowanego zgodnie z normą ISO lub przez laboratorium akredytowane przez DakkS.
Czy transformator musi mieć gniazdo styku uziemiającego, czy wystarczy wyjście na wtyczkę IEC?
Obudowy zdecydowanej większości transformatorów zmieniających napięcie są wykonane z metalu, dlatego gniazda z uziemieniem stanowią absolutną konieczność. Wiele urządzeń ma dwa systemy wtyczek, jeden w postaci klasycznego gniazda ze stykiem uziemiającym i jeden odpowiedni dla wtyczki podłączanego urządzenia. Drugie połączenie jest również wyposażone w styk uziemiający. Korzystanie z wtyczek IEC jest możliwe bez wahania tylko wtedy, gdy podłączane urządzenie nie ma metalowych części, których można dotknąć.