Трансформаторы

Трансформаторы применяют для изменения амплитуды сигнала переменного тока. В отличие от усилителя, трансформатор пассивный элемент, не дающий усиления мощности.

Все трансформаторы могут быть условно разделены на три класса: силовые, согласующие и импульсные. Силовые трансформаторы преобразуют напряжение переменного тока в источниках питания. Согласующие трансформаторы используют для межкаскадной связи в усилителях (сейчас очень редко). Импульсные трансформаторы (наряду с дросселями) используются в качестве накопителей энергии в импульсных источниках питания и для гальванической развязки при передаче информационных сигналов.

На Рис. 1.3 представлена конструкция трансформатора, на первичной обмотке которого N₁ витков, а на вторичной — N₂ витков.

Рассмотрим случай, когда при отсутствии нагрузки на вторичной обмотке на первичную обмотку подается переменное напряжение е_in. Это приводит к появлению переменного магнитного потока Ф, который определяется напряжением е_in и количеством витков первичной обмотки N₁. Если плотность этого потока в первичной и вторичной обмотках одинакова, можно записать:

.

При отсутствии нагрузки поток Ф наводит в первичной обмотке напряжение, величина которого в идеальном трансформаторе равна е_in, следовательно, ток в первичной обмотке не протекает.

Если теперь к вторичной обмотке подключить нагрузку, потечет ток. Этот ток будет противодействовать магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой, уменьшая тем самым общий магнитный поток в сердечнике. Наведенное напряжение в
первичной обмотке не будет больше оставаться равным е_in, в первичной обмотке потечет ток, благодаря которому плотность магнитного потока будет увеличиваться до тех пор, пока уравнение, приведенное выше, не станет снова справедливым.

Поскольку трансформатор не усиливает мощность сигнала, входная и выходная мощности должны быть одинаковы, и для идеального трансформатора можно записать:

е_in • i_in = е_out • і_out.

Иногда трансформатор применяется в качестве трансформатора импедансов (преобразователя полных сопротивлений). Если ко вторичной обмотке подключено сопротивление R_L, сопротивление на первичной обмотке будет равно:

R_in = .

Таким образом, трансформатор можно использовать для согласования сопротивлений и, следовательно, для максимально эффективной передачи энергии.

Кроме того, трансформаторы применяются в приборах, предназначенных для измерения тока в ситовых устройствах переменного тока.

В приводимых выше рассуждениях предполагалось, что трансформатор идеальный (не имеющий потерь). В реальных трансформаторах энергия теряется при передаче между первичной и вторичной обмотками. Основной составляющей этих потерь являются омические потери в обмотках трансформатора. Иногда их называют потерями в меди.

Второй причиной является гистерезисная характеристика железного сердечника. За каждый цикл гистерезиса теряется энергия, выделенная в виде тепла и равная площади петли. Иногда такие потери называют потерями в железе. Если бы сердечник представлял собой сплошной железный блок, также имели бы место значительные потери, возникающие вследствие вихревых токов в сердечнике. Эти потери можно свести к минимуму при использовании сердечника из изолированных пластин. Однако на частотах свыше 25 кГц вихревые токи в пластинах снова становятся значительными, поэтому вместо пластин используют прессованные порошковые ферритовые сердечники.