ترانسفورماتور یک تجهیز الکتریکی پسیو است که انرژی الکتریکی را از طریق فرایند القای الکترومغناطیسی از یک مدار به مدار دیگر منتقل می‌کند. معمولاً برای افزایش یا کاهش سطوح ولتاژ بین مدارها از ترانسفورماتور استفاده می‌شود.
محتویات مقاله
اصول کار ترانسفورماتور
اصول کار ترانسفورماتور بسیار ساده است. القای متقابل بین دو یا چند سیم‌پیچ انرژی الکتریکی بین مدارها را منتقل می‌کند. این نحوه کار در ادامه با جزئیات بیشتر توضیح داده شده است.
فرض کنید یک سیم‌پیچ داریم که توسط یک منبع الکتریکی متناوب تغذیه می‌شود. جریان متناوب از طریق سیم‌پیچ، شار متناوب و متغیری را ایجاد می‌کند که سیم‌پیچ را احاطه می‌کند.
اگر سیم‌پیچ دیگری به این سیم‌پیچ نزدیک شود، بخشی از این شار متناوب به سیم‌پیچ دوم متصل می‌شود. از آنجا که دامنه و جهت این شار دائماً در حال تغییر است، باید یک شار پیوندی در حال تغییر در سیم‌پیچ دوم یا ثانویه 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 فرایند اصل کار یک ترانسفورماتور است.
از نمادهای الکتریکی برای کمک به تجسم این موضوع استفاده می‌کنیم. سیم‌پیچی که انرژی الکتریکی را از منبع دریافت می‌کند، به‌عنوان «سیم‌پیچ اولیه» شناخته می‌شود. در نمودار زیر این سیم‌پیچ اولیه (Primary Winding) نشان داده شده است.
سیم‌پیچی که ولتاژ خروجی مورد نظر را به‌دلیل القای متقابل ایجاد می‌کند، معمولاً به‌عنوان «سیم‌پیچ ثانویه» (Secondary Winding) شناخته می‌شود که در شکل بالا نیز قابل مشاهده است.
ترانسفورماتوری که ولتاژ سیم‌پیچ اولیه را به ثانویه افزایش می‌دهد، به‌عنوان ترانسفورماتور افزانیده شناخته می‌شود. برعکس، ترانسفورماتوری که ولتاژ را کاهش می‌دهد، به عنوان یک ترانسفورماتور کاهنده تعریف می‌شود.
اینکه ترانسفورماتور سطح ولتاژ را افزایش یا کاهش دهد، به تعداد دورهای سیم‌پیچ اولیه و ثانویه ترانسفورماتور بستگی دارد.
اگر تعداد دورهای سیم‌پیچ اولیه بیشتر از سیم‌پیچ ثانویه باشد، ولتاژ کاهش می‌یابد و اگر تعداد دور سیم‌پیچ اولیه کمتر از سیم‌پیچ ثانویه باشد، ولتاژ افزایش می‌یابد.
با وجود اینکه شکل ترانسفورماتور فوق از نظر تئوری در قالب یک ترانسفورماتور ایده‌آل امکان‌پذیر است، اما چندان عملی نیست. دلیل این امر آن است که در هوای آزاد تنها بخش بسیار کوچکی از شار تولیدشده از سیم‌پیچ اول به سیم‌پیچ دوم پیوند می‌خورد. بنابراین، جریانی که از مدار بسته متصل به سیم‌پیچ ثانویه عبور می‌کند بسیار کم خواهد بود و اندازه‌گیری آن دشوار است.
سرعت تغییر شار پیوندی به مقدار شار پیوندی با سیم پیچ دوم بستگی دارد. بنابراین، در حالت ایده‌آل، تقریباً تمام جریان سیم‌پیچ اولیه باید به سیم‌پیچ ثانویه متصل شود و پیوند بخورد. این امر با استفاده از یک ترانسفورماتور نوع هسته‌ای قابل حصول است. این کار یک مسیر با رلوکتانس کم برای هر دو سیم‌پیچ را فراهم می‌کند.
هدف از هسته ترانسفورماتور فراهم کردن مسیری با رلوکتانس کم است که از طریق آن حداکثر مقدار شار تولیدشده توسط سیم‌پیچ اولیه از آن عبور کرده و به سیم‌پیچ ثانویه متصل شود.
جریانی که در ابتدا هنگام روشن شدن ترانسفورماتور از آن عبور می‌کند به عنوان جریان هجومی ترانسفورماتور شناخته می‌شود.
اجزای ترانسفورماتور
سه بخش اصلی ترانسفورماتور عبارت‌اند از:
- سیم‌پیچ اولیه ترانسفورماتور: با اتصال به منبع الکتریکی شار مغناطیسی تولید می‌کند.
- هسته مغناطیسی ترانسفورماتور: شار مغناطیسی تولیدشده توسط سیم‌پیچ اولیه، از این مسیر کم‌رلوکتانس مرتبط با سیم‌پیچ ثانویه عبور و یک مدار مغناطیسی بسته ایجاد می‌کند.
- سیم‌پیچ ثانویه ترانسفورماتور: شار تولیدشده توسط سیم‌پیچ اولیه از هسته عبور می‌کند و با سیم‌پیچ ثانویه پیوند می‌یابد. این سیم‌پیچ نیز بر روی همان هسته پیچیده می‌شود و خروجی مطلوب ترانسفورماتور را ارائه می‌دهد.
همچنین می‌توانید مطالعه کنید:
ترانسفورماتور ایده‌آل
ترانسفورماتور ایده‌آل یک ترانسفورماتور فرضی و غیرواقعی است که هیچ‌گونه تلفاتی در آن وجود نداشته باشد، یعنی بدون تلفات هسته، تلفات مس و سایر تلفات در ترانسفورماتور واقعی باشد. راندمان این ترانسفورماتور ۱۰۰ درصد در نظر گرفته می‌شود.
مدل ترانسفورماتور ایده‌آل
مدل ایده‌آل ترانسفورماتور با در نظر گرفتن سیم‌پیچ‌ها به‌صورت القایی (بدون مقاومت) و هسته ترانسفورماتور (بدون تلفات) بیان می‌شود. همچنین راکتانس نشتی ترانسفورماتور ایده‌آل صفر است (راکتانس مشخصه‌ای است که مخالف عبور جریان از مدار به‌دلیل اندوکتانس و ظرفیت آن است).
این بدان معناست که ۱۰۰ درصد شار از هسته عبور می‌کند و با هر دو سیم‌پیچ اولیه و ثانویه ترانسفورماتور پیوند می‌یابد. اگرچه هر سیم‌پیچ باید مقداری مقاومت ذاتی در خود داشته باشد که باعث افت ولتاژ و کاهش RI2 در آن می‌شود. در چنین مدل ترانسفورماتور ایده‌آلی، سیم‌پیچ‌ها ایده‌آل (کاملاً القایی) در نظر گرفته می‌شوند، یعنی مقاومت سیم‌پیچ صفر است.
حال اگر یک ولتاژ متناوب V1 در سیم‌پیچ اولیه این ترانسفورماتور ایده‌آل اعمال شود، در سیم‌پیچ اولیه یک نیروی ضد محرکه القایی E1 القا می‌شود که در ۱۸۰ درجه با فاز ولتاژ تغذیه V1 اختلاف فاز دارد.
سیم‌پیچ اولیه برای گسترش نیروی ضد محرکه القایی، جریان را از منبع برای تولید شار مغناطیسی مورد نیاز می‌کشد. از آنجا که سیم‌پیچ اولیه صرفاً القایی است، آن جریان ۹۰ درجه از ولتاژ تغذیه عقب‌تر است. این جریان را جریان مغناطیس‌کنندگی ترانسفورماتور (I_μ) می‌نامند.
این جریان مغناطیس‌کنندگی متناوب I_μ یک شار مغناطیسی متناوب Φ تولید می‌کند. شار متناسب با جریانی است که آن را تولید می‌کند، بنابراین شار با جریان هم‌فاز خواهد بود. این شار از طریق هسته ترانسفورماتور به سیم‌پیچ ثانویه متصل می‌شود. در نتیجه، یک نیروی ضد محرکه القایی E2 در سراسر سیم‌پیچ ثانویه القا می‌شود، و همان‌طور که در شکل زیر نشان داده شده است، این EMF متقابلاً القا می‌شود.
منابع:
