Transformator

Een transformator (veelal afgekort tot trafo (NL) of transfo (B)) is een statisch (d.w.z. zonder bewegende onderdelen) elektrisch apparaat, bestaande uit magnetisch gekoppelde spoelen. Stuurt men een veranderlijke stroom door een van de spoelen, de primaire spoel genoemd, dan wordt in de andere spoel(en), de secundaire, een spanning opgewekt.

Een belangrijke toepassing is het omzetten van een hogere wisselspanning, zoals de netspanning, naar de gewenste lagere wisselspanning. De hogere wisselspanning op de primaire spoel met veel windingen veroorzaakt daarin een wisselstroom, die in de secundaire spoel met minder wikkelingen een lagere wisselspanning opwekt. De spanning is omlaag getransformeerd. Heeft de secundaire spoel meer wikkelingen dan de primaire dan wordt de spanning omhoog getransformeerd. De verhouding tussen het aantal windingen van de primaire spoel en de secundaire spoel geeft de factor waarmee de spanning omhoog, dan wel omlaag wordt getransformeerd.

In het elektriciteitsnet worden transformatoren gebruikt om de in de centrale opgewekte energie te transformeren naar een hoge spanning. Bij deze hoge spanning wordt de energie door het net getransporteerd tot de punten waar de energie wordt afgenomen. Daar wordt de spanning weer omlaag getransformeerd en geleid naar transformatorhuisjes in de woonwijken, waar de spanning weer verder omlaag wordt getransformeerd. Omdat het vermogen aan de primaire zijde (op verliezen na) gelijk is aan het vermogen aan de secundaire zijde, kan bij hoge spanning de stroomsterkte relatief klein gehouden worden, zodat (bij een gegeven leidingweerstand) de transportverliezen beperkt blijven.

Inhoud 1 Bouw 2 Formules 2.1 Impedantietransformator 3 Verliezen 3.1 E-kern vs. ringkern 4 Speciale uitvoeringen 5 Geluidsproductie 6 Zie ook

[bewerk] Bouw

Een transformator bestaat uit twee spoelen, die zich in elkaars magnetisch veld bevinden. Soms zijn de spoelen uitgevoerd als één wikkeling met aftakkingen. Afhankelijk van de toepassing van de transformator worden de spoelen al dan niet gewikkeld rond een magnetiseerbare kern. Het wikkeldraad is meestal koper, dat is voorzien van een schellak isolatielaagje om sluiting tussen de wikkelingen te voorkomen.

Bij laagfrequenttypen, transformatoren voor lage frequenties (tot ca. 1 KHz) is de kern meestal van gelamelleerd, zacht Silicium-staal ( = weekijzer), zgn. transformatorblik. De kern bestaat uit lamellen die van elkaar geïsoleerd zijn om het vermogensverlies in de kern ten gevolge van wervelstromen te beperken. De uitvoeringsvorm kan naar de vorm van de ijzerlamellen een E-I-, U-I-, U-U- of een ronde kern (ringkern) zijn. De spoelen worden op een kunststof of hars-gedrenkt kartonnen spoelvorm gewikkeld.

Bij hoogfrequenttypen (>1 KHz ... ?MHz) is de magnetiseerbare kern vervaardigd uit ferriet (minuscule ijzerdeeltjes die met een keramische legering zijn vermengd en in de vorm van de kern zijn geperst).

[bewerk] Formules

Voor een transformator geldt de wet van behoud van energie. Al het aan de primaire kant opgenomen vermogen moet ergens blijven. Het grootste deel kan aan de secundaire kant weer afgenomen worden, ofwel

Een klein deel van de energie wordt in de transformator echter in warmte omgezet (gedissipeerd vermogen). Voor een ideale transformator, waar geen verliezen in optreden, geldt dus (met P = U * I)

De sterkte van het magnetische veld in de spoel is afhankelijk van het aantal windingen van die spoel en de sterkte van de elektrische stroom door die windingen. Heeft de primaire spoel n windingen en de secundaire m windingen, dan zullen de spanning U en stroom I aan in- en uitgang van de transformator zich verhouden als:

en

De fractie m / n wordt ook wel de transformatieverhouding genoemd.

[bewerk] Impedantietransformator

Bij gebruik als impedantietransformator (voor audioversterkers en hf-apparatuur) geldt voor de impedantie de formule:

[bewerk] Verliezen

In de praktijk treden altijd verliezen op die in bovenstaande formules niet verwerkt zijn. Oorzaken van verliezen zijn: warmteproductie in de spoelen (koperverliezen), geluidsproductie en magnetische verliezen (ijzerverliezen). Vooral warmteverliezen zijn kwantitatief belangrijk. Toch is met transformatoren meestal een hoog nuttig rendement te halen, in de orde van 90%. Bij goedkope adapters (voedingsapparaten met kleine transformators in een behuizing die in zijn geheel in het stopcontact wordt gestoken) wordt soms bezuinigd op de metalen lamellen van de kern. Het gevolg hiervan is, dat de overige lamellen sneller in magnetische verzadiging kunnen raken, waardoor er meer primaire stroom gaat lopen, met als gevolg meer warmteontwikkeling.

[bewerk] E-kern vs. ringkern

De simpelste uitvoering van de transformator heet E- of E-I-kern transformator naar de vorm van het deel van het lamellenpakket waarover de spoelen worden geschoven. De spoelen worden over de middelste poot van de E geschoven. Hierna wordt een tweede, I-vormig pakket tegen het E-vormig pakket geschoven. Bij betere uitvoeringen zijn de lamellen om en om gestapeld. Een probleem bij de E-kern transformator is dat de lamellen van de kern niet één doorlopend geheel vormen, maar dat de kern uit twee delen bestaat die zo goed mogelijk tegen elkaar worden gedrukt. De kern van een ringkerntransformator bestaat uit één doorlopende band van weekijzer, die is opgerold tot een ring. Over deze ring worden de wikkelingen gelegd. Een ringkerntransformator heeft minder verliezen, maar is duurder om te maken vanwege de technische problemen bij het wikkelen van de spoelen. Ook heeft de ringkern een gunstiger gevormd magnetisch circuit waardoor het strooiveld kleiner is.

[bewerk] Speciale uitvoeringen

Er zijn ook speciale soorten transformatoren:

• Autotransformator. Deze bestaat uit alleen een primaire wikkeling die op een aantal punten 'afgetapt' kan worden.
• Bobine. Een bobine is een speciale transformator die in het ontstekingssysteem van auto's met benzinemotor gebruikt wordt om het brandstofmengsel met een vonk te ontsteken.
• Driefasetransformator. Speciaal voor het omvormen van driefasespanningen bedoeld.
• Lastransformator. Deze bevat een verschuifbare kern waarmee de maximale stroomsterkte is in te stellen. De uitgangsspanning is laag en de stroom hoog.
• Variacs. Een variac is vaak een variant op de autotransformator waarbij de uitgangsspanning traploos geregeld kan worden. Variacs worden onder andere gebruikt om in testopstellingen netspanningsvariaties te simuleren. Soms wordt de variabele uitgangsspanning van een sekundaire wikkeling afgenomen, waardoor het aangesloten apparaat niet rechtstreeks met de netspanning is verbonden. Dit is vooral van belang voor de veiligheid bij onderzoek- en reparatiewerkzaamheden.
• Veiligheidstransformator. Primaire en secundaire spoelen van de veiligheidstrafo's zijn door een dubbele isolatielaag van elkaar gescheiden, om elektrocutiegevaar weg te nemen. De secundaire spanning is de ZLVS (Zeer Lage Veiligheids Spanning), d.w.z. maximaal 50 Volt. Veiligheidstransformatoren worden gebruikt in vochtige vertrekken, als voeding voor looplampen, elektrisch speelgoed, in medische toepassingen, e.d.
• Scheidingstransformator. Net zoals bij de veiligheidstrafo zijn de primaire en secundaire spoelen hier met dubbele isolatie van elkaar gescheiden, maar de primaire spanning is gelijk aan de secundaire spanning (meestal 230 V). Scheidingstrafo's worden gebruikt om elektrocutiegevaar te verminderen als er geen ZLVS mogelijk is. Ook de meeste laboratoriumtoestellen, zoals de oscilloscoop, hebben omwille van veiligheidsredenen een ingebouwde scheidingstrafo.
• Uitgangstransformator. Deze trafo wordt gebruikt in buizenversterkers om de wisselstroom die op de gelijkstroom uit de anode van een elektronenbuis staat gesuperponeerd, aan een luidspreker af te geven. De trafo gedraagt zich als een scheidingstransformator en als de boven beschreven impedantietransformator.
• Verhuistransformator. Meestal voorzien van 220 V en 110 V aansluiting voor in- en uitgangen. Bedoeld om apparaten van het ene net op het andere aan te sluiten (bijvoorbeeld na een verhuizing naar een ander land of continent). Hiervoor gebruikt men meestal een "autotransformator"
• Tokamak. De plasma stroom in een tokamak wordt op gang gebracht en gehouden door het transformatorprincipe, waarbij de plasma ring dienst doet als secondaire spoel. (Zie kernfusie)
• Schuiftransformator. Schuiftransformators kunnen stroom of signalen van een vaste punt naar een bewegend ondereel doorgeven. Zie ook de Lineaire Variabele Differentiele Transformator.

[bewerk] Geluidsproductie

De geluidsproductie van transformatoren wordt veroorzaakt door magnetostrictie, het verschijnsel dat de magneetkern krimpt en uitzet met de grootte van het magnetisch veld. De optredende trilling veroorzaakt het geluid dat rond een transformator hoorbaar is als een toon met de dubbele frequentie van de wisselspanning. Transformatoren in het lichtnet produceren hierdoor geluid van 100 Hz (brommen). Bij grotere transformatoren in de open lucht kan dit leiden tot geluidshinder. Doordat het optredende geluid een lage frequentie heeft en bovendien goed voorspelbaar is, kan het geluid van transformatoren met antigeluid worden bestreden. Het is hiermee in 2003 een van de weinige praktische toepassingen van antigeluid.

[bewerk] Zie ook

• Omvormer