Wykorzystanie indukcji magnetycznej Budowa i zasada działania transformatora Autor: Weronika Gawrych
Spis treści 1. Transformatory 1. Podział transformatorów 2. Budowa transformatora 3. Zadania transformatora 4. Podstawowa właściwość transformatora 5. Obwody transformatora 6. Działanie transformatora 7. Transformator 8. Stosunek liczby zwojów uzwojenia wtórnego do liczby zwojów uzwojenia 9. Przekładnia transformatora 10 Zasada zachowania energii 11. Przesyłanie energii elektrycznej liniami wysokiego napięcia 2.Podział transformatorów: 1. Transformator sieciowy 2. Transformator pełny 3. Transformator regulacyjny 4. Transformator separujący 5. Transformator bezpieczny i pośredni do celów ochronnych 6. Transformator bezpieczny 7. Transformator dzwonkowy 8. Transformatory małej częstotliwości 9. Transformator wyjściowy akustyczny 10.Transformatory modemowe 11.Transformator częstotliwości pośrednich 12. Transformator prądowy 3. Wykorzystanie zjawiska indukcji magnetycznej 1. Indukcja magnetyczna 2. Przekształcanie wzoru 3. Przykłady z Ŝycia wzięte
Transformatory Transformator jest urządzeniem elektrycznym przeznaczonym do zamiany układu napięć i prądów przemiennych na układ napięć i prądów o innych z reguły wartościach, lecz takiej samej częstotliwości. Zmiana ta odbywa się za pośrednictwem pola magnetycznego. Uzwojenie pierwotne Uzwojenie wtórne prąd pierwotny - - prąd wtórny napięcie pierwotne- - napięcie wtórne Liczba zwojów N 1 Liczba zwojów N 2 Schematyczne przedstawienie idealnego transformatora
Podział transformatorów Ze względu na zastosowanie transformatory można podzielić na trzy podstawowe grupy: Transformatory energetyczne - stosowane przy przesyłaniu i rozdzielaniu energii elektrycznej (zwane też transformatorami mocy), Transformatory małej mocy - stosowane w urządzeniach elektrycznych i elektronicznych w automatyce, łączności, teletechnice, Transformatory specjalne budowane dla różnych celów specjalnych, np. przekładniki pomiarowe, transformatory spawalnicze, probiercze, piecowe, prostownikowe, bezpieczeństwa itd.
Budowa transformatora Każdy transformator składa się z trzech podstawowych elementów: uzwojenia pierwotnego (zasilanego), uzwojenia wtórnego (odbiorczego), rdzenia ferromagnetycznego, na którym są umieszczone oba uzwojenia (w specjalnych zastosowaniach stosuje się transformatory bez rdzenia, tzw. transformatory powietrzne).
Zadania transformatora Oprócz podstawowego zadania (zmiana wartości napięcia i prądu), transformator może pełnić również inne funkcje: Uzwojenia transformatora nie są ze sobą połączone galwanicznie, umożliwia to izolowanie od siebie obwodów elektrycznych. Jeżeli chcemy jedynie izolować od siebie pewne obwody elektryczne bez zmiany wartości napięcia i prądu, to wprowadzamy do układu transformator i jednakowej liczbie zwojów na obu uzwojeniach. Transformator nie przenosi ze strony pierwotnej na wtórną składowych stałych prądu i napięcia i dlatego może służyć jako filtr do ich eliminacji, przy zachowaniu składowych przemiennych. Z transformatorów można korzystać również wtedy, gdy chodzi o "dopasowanie" elementów obwodu w celu uzyskania optymalnych warunków. Transformator jest czwórnikiem o pewnej impedancji. czwórnik taki można włączyć między źródło i odbiornik, np. w celu ograniczenia prądu zwarciowego.
Podstawowa właściwość transformatora Podstawową właściwością transformatora jest możliwość zmiany wartości napięcia i prądu w obwodzie prądu przemiennego. Obecnie potrzeba takiej zmiany występuje zarówno w obwodzie prądu przemiennego zarówno w energetyce, m.in. przy przesyłaniu i rozdzielaniu energii elektrycznej, jak też w zakładach przemysłowych i wielu urządzeniach powszechnego użytku (np. zasilacz z regulowanym napięciem, radioodbiornik itp.). Z tego wynika konieczność produkowania ogromnej liczby różnorodnych transformatorów.
Obwody transformatora Uzwojenie pierwotne i wtórne stanowią obwody elektryczne transformatora, a rdzeń jest obwodem magnetycznym. Uzwojenia nie są ze sobą połączone elektrycznie, a tylko sprzęgnięte strumieniem magnetycznym przenikającym rdzeń. Dzięki istnieniu obwodu magnetycznego, prawie cały strumień jest sprzęgnięty z obydwoma uzwojeniami transformatora. Niekiedy (bardzo rzadko) stosuje się transformatory bez rdzenia.
Działanie transformatora Uzwojenie pierwotne jest zasilane ze źródła napięcia sinusoidalnego. Pod wpływem napięcia zasilającego w uzwojeniu pierwotnym płynie prąd przemienny (sinusoidalny) wywołując przepływ strumienia magnetycznego. Pod wpływem tego przepływu powstaje przemienny strumień magnetyczny. Znaczna część tego strumienia zamyka się przez rdzeń, a niewielka część zamyka się przez powietrze i jest skojarzona tylko z uzwojeniem pierwotnym (strumień rozproszony pierwotny). Strumień główny sprzęgając się z uzwojeniem wtórnym i uzwojeniem pierwotnym indukuje w tych uzwojeniach siły elektromotoryczne zmieniające się tak jak strumień, a więc równieŝ sinusoidalnie.
Ciąg dalszy działania transformatora JeŜeli do zacisków uzwojenia wtórnego przyłączymy jakikolwiek odbiornik, to w zamkniętym obwodzie tego uzwojenia popłynie prąd przemienny (sinusoidalny). Jednocześnie zmieni się wartość prądu uzwojeniu pierwotnym i strumienia wytwarzanego przez przepływ pierwotny. Prąd wtórny wytworzy swój strumień. Od chwili, gdy płyną prądy w obu uzwojeniach, strumień magnetyczny zamykający się przez rdzeń jest strumieniem wypadkowym powstałym w wyniku działania dwóch przepływów - pierwotnego i wtórnego. W ten sposób energia elektryczna dostarczona do uzwojenia pierwotnego przy napięciu pierwotnym i prądzie pierwotnym przetwarza się w energię elektryczną wydawaną z uzwojenia wtórnego przy napięciu i prądzie wtórnym.
Transformator Transformator może pracować tylko przy zasilaniu go ze źródła napięcia przemiennego, bo tylko ciągła zmienność w czasie napięć, prądów i strumieni jest podstawą do indukowania się napięcia. Wszystkie linie przemiennego strumienia występującego w rdzeniu transformatora, sprzęgają się zarówno z uzwojeniem pierwotnym jak i uzwojeniem wtórnym. W obu uzwojeniach indukują się więc napięcia sił elektromotorycznych. Siły elektromotoryczne zmieniają się sinusoidalnie. Wartości napięcia sił elektromotorycznych w obu uzwojeniach zależą od prędkości zmian strumienia magnetycznego, który te uzwojenia obejmuje. W każdym zwoju jednego lub drugiego uzwojenia powstaje taka sama siła elektromotoryczna, zatem wartość indukowanego napięcia w całym uzwojeniu zależy od liczby zwojów tego uzwojenia.
Stosunek liczby zwojów uzwojenia wtórnego do liczby zwojów uzwojenia Prąd przemienny płynący przez uzwojenie pierwotne transformatora powoduje powstanie w rdzeniu okresowo zmiennego strumienia indukcji. Ten zmienny strumień przechodzi przez wnętrze uzwojenia wtórnego transformatora i indukuje w nim siłę elektromotoryczną przemienną, o tej samej częstotliwości. Jest ona proporcjonalna do liczby zwojów cewki wtórnej, gdyż siły elektromotoryczne indukowane w poszczególnych zwojach sumują się. Okazuje się, że stosunek napięcia uzyskanego we wtórnym uzwojeniu do napięcia przyłożonego do uzwojenia pierwotnego jest taki, jak stosunek liczby zwojów uzwojenia wtórnego do liczby zwojów uzwojenia pierwotnego, czyli: U 2 = U 1 n n 2 1
Przekładnia transformatora W zależności od tego, czy potrzebne jest napięcie niższe (np. do dzwonka elektrycznego) niż dostępne w sieci, czy wyższe (np. do telewizora) trzeba na uzwojeniu wtórnym nawinąć odpowiednio mniej lub więcej zwojów niż na pierwotny. Stosunek n 2 do n 1, nosi nazwę przekładni transformatora. Graficzne przedstawienie liczby zwojów na uzwojeniu pierwotnym i wtórnym
Zasada zachowania energii Zasada zachowania energii wymaga, by moc prądu w obwodzie wtórnym P 2 była nie większa, a w idealnym przypadku (brak strat energii) równa mocy prądu w obwodzie pierwotnym P 1, czyli: U 2 *I 2 =U 1 *I 1 U 2 I 1 U = 1 I 2 Znaczy to, że ile razy podwyższymy napięcie w obwodzie wtórnym w porównaniu z napięciem w obwodzie pierwotnym, tyle samo razy zmniejszyliśmy w tym obwodzie natężenie prądu. Tę zależność wykorzystuje się przy przesyłaniu energii elektrycznej liniami wysokiego napięcia.
Przesyłanie energii elektrycznej liniami wysokiego napięcia Dla przykładu wyobraźmy sobie elektrownię wytwarzającą prąd przemienny o natężeniu skutecznym U=220 220V. W przewodach przesyłających prąd na dużą odległość powstają straty energii elektrycznej związane z ogrzewaniem tych przewodów. Straty te zwane są ciepłem Joule a. Wyrażamy je, posługując się, takim wzorem na pracę prądu, w którym występują tylko wielkości związane z przepływaniem prądu w przewodach tej linii: Q=I 2 Rt I -natężenie skuteczne prądu płynącego w tej linii, R -oporem linii. Jeśli za pomocą transformatora I podwyższymy napięcie 100razy, to 100 razy zmaleje natężenie prądu w linii przesyłanej i aż 10000 razy zmaleją straty energii. Transformator II obniża napięcie z powrotem do wartości U=220V, tj. do napięcia zasilającego naszą sieć domową.
Przesyłanie energii elektrycznej liniami wysokiego napięcia Graficzne przedstawienie przesyłania energii elektrycznej liniami wysokiego napięcia
Podział transformatorów
Transformator sieciowy Transformator sieciowy jest przykładem transformacji jednej wartości napięcia zmiennego na inną, np. 230 V na 11 V. Moc przenoszona przez transformator ulega zmniejszeniu o wartość strat. Ponieważ moc jest iloczynem wartości napięcia i natężenia prądu, więc w przykładowym transformatorze przy poborze 1 A po stronie wtórnej co najmniej 0,05 05 będzie przepływać po stronie pierwotnej. Transformator jest obliczany na pewną maksymalną moc, której nie wolno przekraczać. Oznacza to, że rezystancje uzwojeń muszą być wystarczająco niskie, aby nie dawały zbyt dużych spadków napięcia. Oznacza to także, że rdzeń transformatora musi mieć wystarczającą wielkość aby nie był nasycany. Wielkość ta decyduje nie tylko o przenoszonej mocy, ale również o częstotliwości pracy. Ogólnie, im mniejsza częstotliwość przenoszona, tym większy rdzeń jest niezbędny. Rdzeń nie może stanowić jednolitej masy, ponieważ prądy wirowe, które w takim przypadku powstają, powodują duże straty. W związku z tym używa się blach transformatorowych, które są układane w pakiet blaszek, wzajemnie od siebie odizolowanych. Są one często wycinane w formie liter E i I. Tworzą w ten sposób rdzeń EI, w którym uzwojenie umieszczone jest w środku, aby uzyskać możliwie duże pole magnetyczne.
Transformator pełny Transformatorami pełnymi nazywamy transformatory z oddzielnymi uzwojeniami pierwotnymi i wtórnymi. Posiadają one galwaniczne oddzielnie wejścia i wyjścia. Autotransformatory mają wspólne uzwojenie pierwotne i wtórne. Dlatego ten typ transformatorów nie posiada oddzielenia galwanicznego między wejściem i wyjściem, ale moŝe być uŝywany zarówno do transformacji napięć w górę jak i w dół. Ze względu na "ścisłe" sprzęŝenie między uzwojeniami i fakt, Ŝe uzwojenie zajmuje mniej miejsca, ten typ transformatora posiada mniejsze wymiary niŝ porównywalny transformator dwuuzwojeniowy.
Transformator regulacyjny Transformator regulacyjny jest najczęściej odmianą autotransformatora, gdzie odczep uzwojenia wtórnego jest ruchomy, tak Ŝe napięcie w tym uzwojeniu moŝna zmieniać. Jest on bardzo praktyczny w zastosowaniach laboratoryjnych, gdzie chcemy badać jak aparatura zachowuje się przy zmiennych napięciach zasilania. Transformator regulacyjny produkowany moŝe być równieŝ w wersji dwuuzwojeniowej, czyli jako pełny transformator.
Transformator separujący Transformator separujący jest transformatorem dwuuzwojeniowym, którego uŝywa się do zasilania urządzeń napięciem odizolowanym od podstawowej sieci zasilającej. W laboratoriach pomiarowych stosuje się go np. tam, gdzie nie moŝna uŝywać uziemionych wyjść sieciowych, poniewaŝ wtedy otrzyma się pętlę uziemień, które mogą mieć wpływ na wynik pomiarów. Bieguny sieci mają jak wiadomo 230 V i O V w stosunku do ziemi. Uzwojenie wtórne transformatora separującego moŝna pozostawić nie uziemione i w takim wypadku nie daje ono napięcia w stosunku do ziemi (napięcie wtórne pozostanie "pływające"). To pływające napięcie zmniejsza zasadniczo ryzyko dla osób pracujących w laboratorium. Transformator moŝe być wyposaŝony w ekran pomiędzy stroną pierwotną i wtórną, aby zapobiec zakłóceniom przenoszonym pojemnościowo.
Transformator bezpieczny i pośredni do celów ochronnych Transformator bezpieczny i pośredni do celów ochronnych winny być uŝywane, aby ograniczyć ryzyko poraŝenia prądem w urządzeniach elektrycznych i przedmiotach powszechnego uŝytku. Transformatory te muszą mieć zapewnioną izolację pomiędzy stroną pierwotną i wtórną, a takŝe ograniczone napięcie wyjściowe, które moŝe wynosić 12, 24, 42 i 115V w zaleŝności od wymaganego zastosowania.
Transformator bezpieczny Transformatorem bezpiecznym nazywamy taki transformator, który posiada tzw. bezpieczne niskie napięcie pracy, najwyŝej 50 V, transformator pośredni dla celów ochrony to taki, który dostarcza napięcia w zakresie pomiędzy 50 i 125 V. Do zabawek powinno się uŝywać tzw. transformatorów zabawkowych, które dają napięcie o wartości najwyŝej 24 V i zapewniają bezpieczeństwo w przypadku nieostroŝnej obsługi.
Transformator dzwonkowy Transformator dzwonkowy to transformator przeznaczony do dzwonków drzwiowych i podobnych zastosowań. MoŜe mieć on wartość prądu zwarciowego najwyŝej 10 A, aby uniknąć ewentualnego uszkodzenia przewodów dzwonkowych, które mogą przenosić tylko krótkotrwałe obciąŝenia.
Transformatory małej częstotliwości Transformatory małej częstotliwości (m.cz., akustyczne) spełniają zadania, które róŝnią się zasadniczo od zadań transformatorów sieciowych. UŜywa się ich przede wszystkim nie w celu transformatorowania wartości napięcia, ale do transformacji impedancji. UŜywane są do dopasowywania impedancji pomiędzy np. dwoma stopniami wzmacniacza lub teŝ do dopasowania impedancji między wzmacniaczem i głośnikiem. PrzełoŜenie impedancji dokonuje się z kwadratem przekładni uzwojenia (przełoŝenia napięciowego), tzn. transformator z przełoŝeniem uzwojenia 10:1 ma przełoŝenie impedancji 100:1.
Transformator wyjściowy akustyczny Transformator wyjściowy akustyczny jest bardzo krytycznym elementem. Obecnie znowu stało się to aktualne w związku z tendencją budowy wzmacniaczy Hi - Fi i innych przyrządów w oparciu o lampy elektronowe. Lampy powinny być obciąŝane optymalną impedancją wynikającą z ich charakterystyk. Chodzi tu o impedancję rzędu wielu kohm, która przy pomocy transformatora dopasowywana jest do niskiej impedancji głośnika. Ta wysoka impedancja oznacza wiele zwojów uzwojenia pierwotnego, posiadających określoną pojemność. W celu uniknięcia rezonansu, który przypada w pobliŝu zakresu tonów słyszalnych, staramy się utrzymać tę pojemność na jak najniŝszym poziomie, poprzez nawijanie transformatora sekcjami: na przemian sekcje uzwojenia pierwotnego i wtórnego. Poprawia to równieŝ stopień sprzęŝenia między uzwojeniami.
Transformatory modemowe Transformatory modemowe zapewniają galwaniczne odseparowanie modemu od sieci telefonicznej. Zbudowane są tak, aby spełniać normy stawiane przez przepisy telekomunikacyjne. NaleŜy zwrócić uwagę, Ŝe normy te mogą znacznie róŝnić się w róŝnych krajach. W Szwecji wystarczy np. wytrzymałość napięciowa 2,5 kv, a w innych, np. w Wielkiej Brytanii i w Niemczech, wymaga się 4 kv.
Transformator częstotliwości pośrednich Transformator częstotliwości pośrednich składa się z dwóch połączonych stopni rezonansowych. Jest on skonstruowany na pewne częstotliwości pracy np. 455 khz (AM) lub 10,7 MHz (FM), które mogą być dostrojone przy pomocy ruchomych rdzeni. Przy AM, SSB, i CW poŝądane jest by pasmo było moŝliwie wąskie, tzn. by wartość Q była jak największą, podczas gdy transformatory dla radia FM powinny mieć szerokość pasma ok 250 khz, dla uniknięcia zniekształceń. W tunerach Hi - Fi wymagana jest najczęściej większa szerokość pasma gdyŝ chcemy mieć jak najniŝsze zniekształcenia, podczas gdy w radiu samochodowym moŝemy tolerować większe zniekształcenia, dla uzyskania w zamian większej czułości i selektywności.
Transformator prądowy Transformator prądowy zwany równieŝ przekładnikiem prądowym, stosuje się do pomiaru - za pośrednictwem pola magnetycznego - natęŝenia prądu płynącego przez przewód. Oznacza to, Ŝe obwód przepływu prądu nie musi być przerywany dla dokonania pomiaru. Transformatorów tych uŝywa się np. w wyłącznikach róŝnicowo - prądowych.
Wykorzystanie zjawiska indukcji magnetycznej
Indukcja magnetyczna Indukcja magnetyczna jest wektorem, którego kierunek jest styczny w kaŝdym punkcie do linii pola magnetycznego, a zwrot zgodny ze zwrotem linii pola. Stąd linie pola magnetycznego nazywamy tez liniami indukcji pola magnetycznego. Na cząstkę naładowaną poruszającą się w polu magnetycznym pod dowolnym kątem α do linii pola działa siła o wartości: F = B q V sin α gdzie α jest kątem pomiędzy wektorem V i wektorem B.
Przekształcanie wzoru F = BqVsin α F = qv sinα B = F qvsinα BqV sinα qv sinα /: qvsin α F = BqVsin α F = Bqsin α V F = Bqsin α BqVsin α Bqsin α /: Bqsin α F = BqVsin α F BV q = = sinα F BV sinα BqV BV sinα sinα /: BVsin α
Przykłady z Ŝycia wzięte 1. Kiedy nie zapłacimy w kasie za towar, czyli w momencie, kiedy kasierka nie zdejmie okrągłego czujnika będącego magnesem lub jeśli czytnikiem nie rozmagnesuje towaru rozlegnie się alarm w bramce, w chwili kiedy będziemy przez nią przechodzić.
Bibliografia Tworząc tą prezentacje korzystałam z: Internetowej encyklopedii www.wikipedia.pl, Internetowej wyszukiwarki www.google.pl, www.onet.pl, Podręcznika dla liceum ogólnokształcącego, liceum profilowanego i technikum Podręcznika Fizyka dla szkół średnich A. Czerwińska, B. Sagnowska, Konsultacji nauczyciela uczącego fizyki: Pani mgr Edyta Dzikowska.