Transformator

Transformator, ofte kalla trafo. er ein elektomagnetisk komponent som vert nytta for impedansetransformasjon, som tilsvarar at spenninga eller straumen vert transformert opp eller ned. Om spenninga vert transformert opp vert straumen transformert ned, eller motsett. Transformatorar spelar ein sentral rolle i overføring av elektrisk energi frå kraftstasjonar til industri, bustader, veglys, osb. Desse arbeider med ein fast frekvens, som i Europa er på 50 Hz.

Fig. 1 Døme på effekttransformator, med C-kjerne.

Dei aller fleste transformatorane i elnettet er trefasetransformatorar, medan små transforatorar i elektrisk utstyr har berre ein fase. Transformatorar vert òg nytta for å oppnå galvanisk skilje i samband med overføring av audiofrekvensar i lydstudio, for overføring av binær data, utstyr for datainnsamling frå sensorar, osb. Slike signal har stor bandbreidd, så signaltransformatorar vert ofte kalla breibandstransformatorar.

Grunnleggande oppbygging og verkemåte

Fig. 2 Transformator.

Transformatorar er bygd opp med to galvanisk isolerte krinsar som er kopla saman med ein magnetisk fluks. Dei to krinsane, som vert kalla primærkrins og sekundærkrins, har kvar sin spole som er vikla rundt eit materiale med liten reluktans (kalla transformatorkjernen), som den magnetiske fluksen fylgjer, Fig. 2.

Fluksen i den magnetiske krinsen (eining Weber)

$\Phi ={\frac {N_{1}i_{1}}{\mathfrak {R}}},$

(1)

der N₁ er viklingstalet i primærspolen, $i_{1}$ er straumen i primærspolen og ${\mathfrak {R}}$ er reluktansen til transformatorkjernen. Fluksen fylgjer den magnetiske leiaren (transformatorkjernen), slik at same fluksen går gjennom begge spolane.

I primærkrinsen induserer fluksen (i fylgje Faradays induksjonslov) ei spenning

$v_{1}=N_{1}{\frac {d\Phi }{dt}},$

(2)

der ${\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} t}}$ er den tidsderiverte av fluksen, og i sekundærkrinsen vert det indusert ei spenning

$v_{2}=N_{2}{\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} t}},$

(3)

der N₂ er viklingstalet i sekundærviklinga. Tilhøvet mellom spenningane i sekundær- og primærkrinsen kan difor uttrykkast

${\frac {v_{2}}{v_{1}}}={\frac {N_{2}}{N_{1}}}=a.$

(4)

Ideell transformator

Fig. 3 Ideell transformator med spenningskjelde $V_{P}$ og lastimpedans $Z_{L}$.

Ein ideell transformator er ein forenkla modell av ein transformator som ikkje har tap. Fig. 3 syner ein ideell transformator med ein ei spenningskjelde $V_{P}$ og ein lastimpedans $Z_{L}$ i sekundærkrinsen. Straumen i lastmotstanden ($I_{S}$ i fig. 3)

$i_{2}={\frac {V_{2}}{Z_{L}}}.$

(5)

Ein ideell transformator har ikkje tap, så effekten i sekundærkrinsen må vera lik effekten i primærkrinsen:

$P_{1}=P_{2},$

(6)

som er det same som at

$v_{1}i_{1}=v_{2}i_{2}.$

(7)

Ved å kombinera likningane kjem ein fram til fylgjande samanhengar for ein ideell transformator:

${\frac {v_{2}}{v_{1}}}={\frac {i_{1}}{i_{2}}}={\frac {N_{2}}{N_{1}}}.$

(8)

Om $N_{2}>N_{1}$ vert spenninga transformert opp ($v_{2}>v_{1}$) og straumen vert transformert ned ($i_{2}>i_{1}$), og om $N_{2}<N_{1}$ vert spenninga transformert ned ($v_{2}>v_{1}$) og straumen vert transformert opp.

Lastimpedansen sett frå primærsida kan uttrykkast

$Z_{L}{'}={\frac {v_{1}}{i_{1}}}={\frac {v_{2}{\left(\!{\frac {N_{1}}{N_{2}}}\right)}}{{i_{2}}{\left(\!{\frac {N_{2}}{N_{1}}}\right)}}}=\left(\!{\frac {v_{2}}{i_{2}}}\right)\!{\left(\!{\frac {N_{1}}{N_{2}}}\right)^{2}}=Z_{L}\!{\left(\!{\frac {N_{1}}{N_{2}}}\right)^{2}}.$

(9)

På same måte kan kildeimpedanse $Z_{k}$ sett frå sekundærsida uttrykkast

$Z_{k}^{'}=Z_{k}\!{\left(\!{\frac {N_{2}}{N_{1}}}\right)^{2}}.$

(10)

Ein ser at spenningar og straumar vert transformerte med omsettingsforholdet ${\frac {N_{2}}{N_{1}}}$, medan impedansar vert transformerte med kvadratet av omsetningsforholdet.

Praktiske transformatorar

Fig. 4 Lekasjefluks.

Praktiske transformatorar avvik noko frå den ideelle transformatoren skildra så langt. Eit slikt avvik er at noko av fluksen ikkje fylgjer kjernematerialet. Storparten av fluksen $\Phi _{1}$ generert av primærspolen fylgjer kjernematerialet og flyt gjennom sekundærspolen, der han induserer sekundærspenninga $v_{2}$. Dette er den mutuelle fluksen $\Phi _{12}$ i fig. 4. Men ein liten del av fluksen tek vegen utanom kjernematerialet. Denne lekasjefluksen er merka $\Phi _{\sigma 1}$ og $\Phi _{\sigma 2}$ i fig. 4. Lekasjefluksen i primær og sekundærviklingane kan uttrykkast

$\Phi _{\sigma 1}=\Phi _{1}-\Phi _{12}$

(11)

respektivt

$\Phi _{\sigma 1}=\Phi _{2}-\Phi _{12},$

(12)

der $\Phi _{12}$ er den mutuelle fluksen, $\Phi _{1}$ er fluksen gjennom primærspolen og $\Phi _{2}$ er fluksen gjennom sekundærspolen. Lekasjefluksane er proporsjonal med straumen i viklingane, men etter som kjernen har mykje større permeabilitet enn luft er lekasjefluksen berre nokre få prosent av den mutuelle fluksen. Transformatorar med høg spenning krev tjukkare isolasjon, så avstanden mellom viklingane er større, noko som aukar lekasjefluksane.

Separasjon an mutual- og lekasjefluks

Magnetiseringa av kjernematerialet er både ulineær og hysterisk, men lekasjefluksen går gjennom eit ikkje-feromagnetisk materiale og vert ikkje påverka av at kjernen går i metning. Det er difor nyttig å skilja lekasjefluksen frå den mutuelle fluksen. Det var Charles Proteus Steinmetz som fyrst hadde denne ideen. Denne separasjonen vert utført ved å uttrykkje primærspenninga som

$V_{1}=N_{1}{\frac {d\phi _{\sigma 1}}{dt}}+N_{1}{\frac {d\phi _{12}}{dt}}$

(13)

der leddet $N_{1}{\frac {d\phi _{\sigma 1}}{dt}}$ representerer spenninga indusert av lekasjefluksen $\Phi _{\sigma 1}$ og leddet $N_{1}{\frac {d\phi _{12}}{dt}}$ representerer spenninga indusert i primærkrinsen på grunn av den mutuelle fluksen $\Phi _{12}$. På same vis kan spenninga i sekundærkrinsen separerast i to delar:

$V_{2}=N_{2}{\frac {d\phi _{\sigma 2}}{dt}}+N_{2}{\frac {d\phi _{12}}{dt}}$

(14)

der leddet $N_{2}{\frac {d\phi _{\sigma 2}}{dt}}$ representerer spenninga indusert på grunn av lekasjefluksen $\Phi _{\sigma 2}$ og leddet $N_{2}{\frac {d\phi _{12}}{dt}}$ representerer spenninga indusert i sekundærkrinsen av den mutuelle fluksen $\Phi _{12}$. Spenningar uttrykte med store bokstavar står for effeltivverdiar.

Lekasjeinduktans

Lekasjefluksane er ikkje påverka av kjernemetninga, men er proporsjonal med den magnetomotorisk spenninga ${\mathcal {F}}_{m}=Ni$. Dei kan difor uttrykkast

$\Phi _{\sigma 1}={\mathcal {P}}_{1}{\mathcal {F}}_{1}={\mathcal {P}}_{1}N_{1}i_{1}$

(15)

respektivt

$\Phi _{\sigma 2}={\mathcal {P}}_{2}{\mathcal {F}}_{2}=-{\mathcal {P}}_{2}N_{2}i_{2},$

(16)

der ${\mathcal {P}}={\mathcal {R}}^{-1}$ er permeansen. Minusteiknet i (16) kjem av at sekundærstraumen $i_{2}$ har retning ut frå sekundærspolen i ekvivalentskjemaet i fig. 4. Vi kan no skriva dei fyrste ledda i (13) og (14) som

$V_{\sigma 1}={\frac {d}{dt}}\left(N_{1}^{2}{\mathcal {P}}_{\sigma 1}i_{1}\right)=N_{1}^{2}{\mathcal {P}}_{\sigma 1}{\frac {di_{1}}{dt}}$

(17)

respektivt

$V_{\sigma 2}=-{\frac {d}{dt}}\left(N_{2}^{2}{\mathcal {P}}_{\sigma 2}i_{2}\right)=-N_{2}^{2}{\mathcal {P}}_{\sigma 2}{\frac {di_{2}}{dt}}.$

(18)

I (17) og (18) har ledda $N_{1}^{2}{\mathcal {P}}_{\sigma 1}$ og $N_{2}^{2}{\mathcal {P}}_{\sigma 2}$ eininga Henry, så dei representerer induktansar. Vi kan difor uttrykka (17) og (18) ved hjelp av lekasjeinduktansane $L_{p}$ og $L_{s}$, som

$V_{\sigma 1}=L_{p}{\frac {di_{1}}{dt}}$

(19)

respektivt

$V_{\sigma 2}=-L_{s}{\frac {di_{2}}{dt}}.$

(20)

Lekasjefluksen lagrar energi, men avgir han når straumen snur. Han fører difor ikkje til effekttap, men spenningsreguleringa vert noko dårlegare (meir variasjon i utgangsspenniga når laststraume varierer). Effekttransformator vart difor dimensjonerte for å ha minst mogleg lekasjefluks.

Ekvivalentskjema

Fig. 5 Transformator ekvivalentskjema.

For sinusforma spenningar kan transformatoren representerast i form av ekvivalentskjemaet vist i fig. 5, der

$X_{p}=j\omega L_{p}$

(21)

respektivt

$X_{s}=j\omega L_{s},$

(22)

er lekkasjereaktansane i primær respektivt sekundærviklingane. Motstanden i primær- og sekundærviklinga er representerte som $R_{p}$ respektivt $R_{s}$.

Magnetisering av kjernen

I fylgje Faradays induksjonslov er primærspenninga

$e_{p}=N_{p}{\frac {d\Phi }{dt}}.$

(23)

Etter som spenningsfallet over $R_{p}$ og $X_{p}$ er lite er $E_{p}\approx V_{p}$. Med sinusforma inngangsspenning er difor $E_{p}$ med god tilnærming òg sinusforma. Vi kan vi difor uttrykkja spenninga over primærspolen som

$e_{p}(t)\approx {\sqrt {2}}E_{p}\sin(\omega t+\alpha ),$

(24)

der $E_{p}$ er effektivverdien til primærspenninga og $\alpha$ er eit faseskift. Ved å kombinera (23) og (24) kan den mutuelle fluksen uttrykkast

$\Phi _{12}={\frac {1}{N_{p}}}\int {\sqrt {2}}E_{p}\sin(\omega t+\alpha )dt=-{\frac {{\sqrt {2}}E_{p}}{\omega N_{p}}}\cos(\omega t+\alpha )+\phi _{c}.$

(25)

$\phi _{c}$ er ein transientfluks som døyr ut etter nokre få periodar, så (25) vert redusert til

$\Phi _{12}=-{\frac {{\sqrt {2}}E_{p}}{\omega N_{p}}}\cos(\omega t+\alpha ).$

(26)

Divisonen med $\omega$ i (26) syner at fluksen ligg $90^{\circ }$ etter spenninga $E_{p}$. Maksverdien til fluksen i kjernen

$\Phi _{max}={\frac {{\sqrt {2}}E_{p}}{\omega N_{p}}}={\frac {1}{{\sqrt {2}}\pi f}}{\frac {E_{p}}{N_{p}}}.$

(27)

Fig. 6 Overstyrt kjerne: grøn: fluks, raud: magnetiseringskarakteristikk, blå: magnetiseringsstraum $I_{o}$.

Summen av dei magnetomotoriske spenningane i primær- og sekundærkrinsen

${\mathcal {F}}_{m,T}={\mathcal {F}}_{m,p}+{\mathcal {F}}_{m,s}=N_{p}I_{p}-N_{s}I_{s}.$

(28)

Om vi dividerer begge sider med $N_{p}$ får vi

${\frac {{\mathcal {F}}_{m,T}}{N_{p}}}=I_{p}-{\frac {I_{s}}{N_{s}/N_{p}}}=I_{P}-{\frac {I_{s}}{a}}\doteq I_{0},$

(29)

I ein ideell transformator er $I_{o}=0$, men i ein fysisk transformator er ikkje $I_{o}$ null og representerer den ekstra primærstraumen som skal til for å magnetisera den ferromagnetiske kjernen, pluss hysterese- og virvelstraumstapa i kjernen. Så $I_{o}$ består av to delar

$I_{o}=I_{M}+I_{C},$

(30)

der $M$ er magnetiseringsstraumen og $C$ representerer straumen som fører til hysterese og virvelstraumstap. I fig. 5 er tapa representerte ved motstanden $R_{C}$. Likning (30) kan òg uttrykkast som

${\mathcal {F}}_{o}=N_{p}I_{M}+N_{p}I_{C},$

(31)

der den magnetomotoriske spenninga $N_{p}I_{M}$ magnetiserer kjernen og $N_{p}I_{C}$ er den magnetomotoriske spenninga som skal til for å driva hysterese- og virvelstraumstapa i kjernen.

EMF-likninga

Vi kan finna effektivverdien til primærspenninga $E_{p}^{rms}$ frå (27):

$E_{p}^{rms}={\frac {\omega N_{p}\phi _{max}}{\sqrt {2}}}={\sqrt {2}}\pi fN_{p}\phi _{max}\approx 44.4fN_{p}AB_{max},$

(32)

der $f$ er frekvensen, $A$ er tverrsnittet til kjernen (i m$^{2}$) og $B=\phi /A$ er flukstettleiken (i T). Likning (27) vert kalla EMF-likninga til transformatoren.

Frekvensavhengigheit

Vi ser frå (27) at med ei sinusforma inngangsspenning er maksverdien til fluksen proporsjonal med tilhøvet $E_{p}/N_{p}$ og invers proporsjonal med frekvensen $f$. Transformatorar som arbeider emd låge frekvensar har difor høgare fluksverdiar enn høgfrekenstransformatorar, så tverrsnittet på kjernen lyt vera større. Dette er grunnen til at transformatorane i svitsja forsyningar, som arbeider med frekvensar på fleire hundre kHz, er mykje mindre enn transformatorar som arbeider med 50 Hz (som i elnettet). Om ein transformator vert nytta ved lågare frekvens enn han er dimensjonert for vil det føra til at kjernen går i metning, som illustrert i Fig. 6. Den auka magnetiseringstraumen fører til auka tap, både på grunn av større ohmske tap i viklingane og på grunn av større virvelstraumstap i kjernematerialet. Dette fører i sin tur til at kjernetemperaturen aukar. EIn kan difor ikkje utan vidare nytta transformatorar dimensjonerte for å arbeida med ein frekvens på 60 Hz i eit 50 Hz elnett.

Kjernetap

Fig. 7 I ein ulaminert kjerne, vist til venstre, kan dei induserte virvelstraumane, vist i raudt, sirkulera i heile arealet, og det oppstår ohmske tap. Den laminert kjernen til høgre er bygd opp av fleire tynne parallelle jarnplater, C, som er isolerte frå kvarandre, og parallelle med fluksentettleiken B.

Fig. 8 Øvst: C-kjerne, nedst: ringkjerne.

Fig. 9 EI-kjerne.

Fig. 10 Virkningsgrad som funksjon av overført effekt.

Når magnetfeltet i kjernen endrar seg, vert òg magnetiseringa av kjernematerialet endra, ved at dei magnetiske domena, som er rundt av storleik 1-100 $\mu {\mbox{m}}$ utvidar og trekkjer seg saman. Overflatene til domena gnissar da mot kvarandre. Denne gnissinga fører til eit energitap i form av termisk energi, så kjenetemperaturen går opp. For meir om dette sjå kjernetap. Tapet er proporsjonalt med arealet til hysteresekurva, så det kan reduserast ved å nytta eit kjernemateriale med ei smal hysteresekurve, som mjukt jarn. Om straumen i viklingane har ein likestraumskomponent vil det føra til at kjernen går fortare i metning, og kjernetapet går opp.

Når fluksen endrar seg vert det generert virvelstraumar i kjernematerialet, som fører til ohmske tap. Virvelstraumane kan reduserast ved å bygga opp kjernen av tynne metallskiver (transformatorblekk), som er isolerte frå kvarandre, som vist i fig. 7. Rektangulære laminerte kjerner kan produserast relativt enkelt. Men å produsera laminerte runde kjerner er meir komplisert og kostbart, så det er ikkje så vanleg.

Summen av hysterese- og virvelstraumstapa vert kalla kjernetap. Ein måte å uttrykkja dette på er ved Legglikninga

${\frac {R_{ac}}{\mu L}}=aB_{max}f+cf+ef^{2}$,

(33)

der $R_{ac}$ er effektiv kjernetapsmotstand, i $\Omega$, $a$ er hysteresetapskoeffisienten, $B_{max}$ er maks flutstettleik, $c$ er resterande tapskoeffisient, $f$ er frekvensen i Hz og $e$ er virvelstraumstapskoeffisenten. Ulike produsenatar gir ikkje alltid opp kjernetapa på same måte, så det kan vera komplisert å samanlikna produkta.

Kjernen i ein transformator kan ha mange ulike utformingar. Ei ringkjerne, som vist i fig. 8 fører til svært liten lekasjefluks, noko som er viktig når transformatoren er plassert i same chassis som følsam elekpnikk. På grunn av at ringkjerner gjer det meir komplisert å plassera viklingane very C-kjerner, òg vist i fig. 8, ofte nytta i staden. Fig. 9 syner en sokalla EI-kjerne, som er billgare å produsera, men som har meir lekasjefluks. På denne typen vert viklingane plasserte på midtstolpen.

Virkningsgrad

Store transformatorar nytta i elnettet, har ofte virkningsgrad på over 99 %, medan mindre transformatorar har lågare virkingsgrad. Transformatorar på 100 KV har typisk verkingsgrad på 80 til 90 %, medan småtransformatorar på rundt 1 VA kan ha verkningsgrad på berre 50 %. Fig. 10 syner eit døme på korleis verkningsgraden til ein 100 VA effekttransformator varierer med overført effekt. Kjernetapet kjem som fylgje av magnetiseringa av kjernen og er uavhengig av overført effekt, så tomgansttapet (open utgang) er det same som når det vert henta ut maks effekt på utgangen. Dette er grunnen til at verkningsgraden går mot null nå roverført effekt går mot null. I fig. 10 når verkningsgraden ein maksverdi på 90 %, for så å avta når overført effekt aukar. At verkingsgraden minkar ved stort effektuttak kjem av at det ohmske tapet i viklingane aukar proportsjonalt med straumen.

Spenningsregulering

På grunn av motstanden i leiarane i spolane oppstår det eit spenningstap, som er proporsjonal med laststraumen. Ein definerer difor ein faktor kalla spenningsregulering, som syner tilhøver mellom utgangsspenninga ved nominal last og ved open utgang. Denne faktoren vert definert som

$\Gamma ={\frac {V_{o}-V_{L}}{V_{L}}}$,

(34)

oder $V_{L}$ er utgangsspenninga ved nominal belastning og $V_{o}$ er utgangsspenninga med open utgang.

Transient straumpuls

Fig. 11 Døme på transient straumpuls.

Når ein sler på spenninga på inngangsspenninga $V_{1}$ vil transformatoren trekkja ein ein transient straumpuls, som vist i fig. 11, for å byggja opp transientfluksen $\phi _{c}$ i (25). Om kjernen har liten reluktans, som i store ringkjernetransformatorar, kan den transiente straumpulsen verta så kraftig at sikringane går. Svitsjing i elnettet kan òg føra til at ein, eller fleire, periodar dett ut. Dette fører òg til ein transient straumpuls. I samband med store effektforsterkarar plasserer ein difor ein motstand i serie med tranformatoren i ein kort periode. Slike krinsar vert ofte kalla mjukstartkrinsar.

Ulike transformastortypar

Transformatorar kjem i mange storleikar og tilpasse ulike oppgåver.

Trefasetransformatorar

Hovudartikkel: Trefasetransformator

Fig. 12. Trefasetransformatorar i elnettet.

I elnettet vert det nytta transformatorar for å transformera opp spenninga for overføring av elektisk effekt mellom kraftstasjonar og forbrukarar, som industri og boligar. Grunnen til at ein trasformerer opp spenninga er at strumen då vert redusert med same faktor. Dette fører til mindre tap i leiarane, etter som effekttapet er proporsjonalt med kvadratet av straumen:

$P=I^{2}R_{w}$,

(35)

der $I$ er effektivverdien til straumen og $R_{w}$ er leiarmotstanden.

Elnettet nyttar trefase, så transformatorane lyt òg handsama tre fasar. Vindingane kan vera stjerne- eller deltakoplingar, eller ein kombinasjon av desse. Dei høgste spenningave vert nytta for overføring over lange avstanar. Det finst transformatoarar som arbeider med spenningar heilt opp i 765 KV, men i det norske elnettet er dei høgste spenningane 300 og 420 KV. Regionale nett i Noreg arbeider med 45 - 132 kV, og lokale distribusjosnett med 11 kV eller 22 kV. Etter som spenninga til forbrukarane er på 240 V må desse spenningane transformerast ned før dei går ut til forbrukarane. Det krevst difor ei rad med transformastorar, som arbeider med ulike spenning og effektnivå. Medan dei aller største transformatorane er i stand til å handsama effektar på over ein TW, arbeider dei fleste med meir moderat effekt. I distribusjonsnettet er effekt i kW og MW-området meir vanleg.

Effekttransformatorar for elektrisk utstyr

Fig. 13 Ringkjernetransformator.

Det meste av elektisk utstyr, som forsterkarar, datamaskiner, etc. arbeider med mykje lågare spenningar enn 230 V, så spenning må transformerast ned. Sjølv om det i dag i stort mon vert nytta svitsmodeforsyningar er det framleis mykje utstyr som nyttar transformatorar. I billig utstyr vert det ofte nytta transformatorar med EI-kjerne, medan meir avansert utstyr nyttar C- eller ringkjernetransformatorar. I ein perfekt ringkjernetransformator er det ikkje noko lekkasje av magnetfeltet, noko som er ein viktig eigenskap når ein transformator er plassert tett på fælsam elektronikk. I praktiske ringkjernetransformatoarar er ikkje viklingane heilt symmetriske, så det er litt lekasjefelt. Men det er mykje mindre enn frå andre transformatortypar, med til dømes EI-kjerne.

Mykje elektrisk utstyr treng både positive og megative spenningar. Det vert difor produsert transformatorar med to sekundærviklingar. Mange transformatorar har fleire enn to sekundærviklingar, ofte med ulike spenningar.

Isolasjonstransformator

Fig. 14 1:1 isolasjonstransformator, med dieletrisk skjerm meoom primær- og sekundærviklingane.

Isolasjonstransformatorar vart nytta for å skapa galvanisk skilje mellom inn- og utgangsspolane. Ein viktig funksjon er å bryta jordsløyfer, som er ei kjelde ti interferens mellom ulike krinsar. Isolasjonstransformatorar har ofte same viklingstal i primær- og sekundarspolane, slik at omsetninstilhøver er 1:1. Isolasjonstransformatorar er som oftast dimesnjonerte for å motstå høge spenningar mellom primær- og sekundarkrinsane.

Dei har ofte ein jorda dielektrisk skjerm mellom primær- og sekundærviklinga, for å redusera lapasitivt kopling av harmoniske komponentar of støy frå primær- til sekundærkrinsane. Isolasjonstransformator nytta i samband med følsam elektronikk, som medisinsk utstyr og laboratorieutstyr, er ofte innbygde i eit metallchassis som dannar eit faradaybu.

At det ikkje er galvanisk forbindelse mellom primær- og sekundarkrinsane aukar sikkerheita når ein til dømes nyttar oscilloscope for å utføra målingar på utstyr eldre røyrforsterkarar, fjernsynsapparat, etc.

Autotransformator

Fig. 15 Variabel autotransformator.

Fig. 16 Ein variabel autotransformator for laboratoriebruk.

Autotransformatorar har berre ei vikling, som fungerer både som promær- og sekundærvikling. Den eine enden av viklinga har forbindelse både til inn- og utgangen, så autotransformatorar har berre tre terminalar. Viklinga har ofte fleire utgangstappar og utgangsterminalen kan flyttast mellom desse for å variera utgangsspenninga. Autotransformatorar er billigare enn transformatorar med separate primær- og sekundærviklingar, men dei har den ulempa at det ikkje er galvanisk isolasjon mellom inn- og utgangsterminalane, så dei bør nyttast med omtanke. Helst bør ein plassera ein isolasjonstransformator rett før autotransformatore. Dei vert ofte nytta som laboratorieutstyr når ein treng å variera spenninga på ein enkel måte.

Signaltransformatorar

Signaltransformatorar vert nytta for å skapa eit galvanisk skilje mellom ulike krinsar. Bandbreidda til transformatorane lyt vera minst like stor som bandbreidda til signala som skal overførast. Men likespenning og svært låge frekvensar vert blokkert, slik at lågfrekvent støy ikkje vert overført.

Audiotransformatorar

Fig. 17 RCA RS177J mono røyreffektforsterkar frå 1965. Den svarte klumpen i øtre høgre hjørne er utgangstransformatoren.

Tidlegare vart det i stor grad nytta transformatorar for å overføra analoge signal gjennom lange kablar i lydstudio. Etter som jordpotensialet kunne vera litt forskjellig i ulige rom var det viktig med galvanisk skilje mellom sendar og mottakar. Samstundes fekk ein balansert overføring, slik at common-mode-komponentar vart kansellerte. I dag vert signala for det meste overførte på binær form, men transformatorane er ikkje heilt borte. På grunn av at svingspolemikrofonar har svært låg utgangsspenning har mange av dei ein innebygd signaltransformator. MC-pickupar for platespelarar har svært svake utgangssignal, så det finst spesialtilpassa signaltransformatorar (MC-trafoar) som transformerer opp spenninga.

Ein annan type audiotransformator er utgangstransformatorar for røyreffektforsterkarar, som tidlegare var vanlege. Desse er naudsynte på grunn av at rørforsterkarar har for stor utgangsimpedans for å driva høgtalarar direkte. Spenninga vert difor transformert ned og straumen opp, med ein faktor $N_{2}/N_{1}$. Det fylgjer frå (10) at utgangsimpedansen frå transformatoren blir då $Z'_{k}=Z_{k}(N_{2}/N_{1})^{2}$. Når vindigstalet $N_{2}$ i sekundærviklingane er mindre enn vindigstalet $N_{1}$ i primærviklingane vert impedansen redusert med kvadratet av tilhøvet $N_{2}/N_{1}$. Elektrostatiske høgtalarar har stor inngangsimpedans og må drivast med høg spenning. Effektforsterkarar bygd med transistorar har for låg utgangsspenninga for å driva desse direkte, så det vert nytta transformatorar mellom forsterkarane og høgtalarane. Denne transformatortypen lyt dimensjonerast for å handsama etter måten stor effekt, og bandbreidda lyt dekkja heile det høyrbare frekvensområdet. På grunn av hysterese i kjernematerialet innfører transformatorar forvrengning av signalt. For at ikkje forvrengninga skal verta for stor lyt tverrsnittet på kjernen vera større enn i ein nettransformatorar med same effekt. Effekttransformatorar for audiosignal er ofte kostbare om dei er av god kvalitet.

Måletransformatorar

Fig. 18 Isolasjonsforsterkar med induktiv kopling.

I samband med måling av ulike fysiske parametrar nyttar ein signaltransformatorar både for å tilpassa spenningsnivet og for å oppnå galvanisk skilje mellom målepunkta og datainnsamlingsutstyret, som arbeider med låge spenningar. Eit typisk døme er måling av straum og spenning på elektriske motorar, der spenningane kan vera fleire kV, medan inngangsspenningane til AD-omformarane i måleutstyret ikkje kan overstiga nokre få volt.

Sume isolasjonsforsterkarar har innebygd induktivt skille, i form at ein liten transformator, for å oppnå galvanisk skille mellom inngangen og utgangen.

Pulstransformatorar

Fig. 19 Signaltransformatorar for Ethernet.

Pulstransformatorar vert nytta for å overføra pulsforma spenningar, som til dømes binære sekvensar. I tillegg til å skapa galvanisk skilje kan transformatorane tilpassa ut- og inngangsimpedansane til den karateristiske impedanssen til kabelen. Slike transformatorar treng ikkje å dimensjonerast for stor effekt, men dei lyt ha stor bandbreidd for at pulsane ikkje skal verta forvrengte.

I svitsja spenningsregulatorar vert det nytta pulstransformatorar dimensjonerte for større effekt og spenningar. Pulstransformatorar vert òg nytta for å isolera styreelektronikk frå effekttransistorar og thyristorar i til dømes motorstyringar. Eit anna bruksområde er for elektronikk i radar, sonar, etc.

Straumtransformatorar

Fig. 20 Strumtransformator.

Fig. 21 Straumtong. Den gule kjevane vert opna ved å trykkja inn den gule knappen på venstre side.

Straumtransformatorar vert nytta for å måla straumen i ein leiar utan at ein treng å nytta seriemotstand. Transformatoren gir galvanisk skilje mellom den straumførande leiaren og sekundærviklinga. Primærviklinga kan ha frå eit til nokre få omdreiningar, medan viklingstalet i sekundærviklinga er større. Ved å tilpassa tilhøvet $N_{1}/N_{2}$ kan ein måla store straumar utan at straumen i sekundærviklinga vert for stor.

I sokalla straumtegner består kjernen av to kjevar som kan lukkast rundt ein straumførande kabel, som utgjer primærviklinga. Sekundærviklinga er plassert innvendig i instraumentet. Straumtenger gjer det mogleg å måla straumen i ein kabel utan at han treng å kappast som ved bruk av eit tradisjonelt ampermeter.

Høgfrekvenstransformatorar

Fig. 22 Transformatorar med ferittkjerner frå ein svitsjmoderegulatorar.

For kvart gjennomløp av hysteresekurva går energi tapt, så til høgare frekvensen er til større vert hysteresetapet. Når frekvensen overstig 1 til 10 kHz vert tapa i jarnkjerar så store at det er betre å nytta ferrittsom har større resistivitet og difor mindre virvelstraumstap. Kjernar av jarnpulver eller metalisk glas kan òg nyttast.

Ferritt er ferrimagnetiske materiale sett saman av ymse typar oksid av nikel, mangan, zink og magnesium. Det finst to hovedtypat: mangan-zink og nikkel-zink. Mangan-zink har $\mu _{r}$ mellom 750 og 15.000 og maks flukstettleik $B_{s}$ 0,3 - 0,5 T. Dette er den vanlegaste typen ferritt- materiale for frekvensar under 2 MHz.

Nikkel-zink har mykje mindre permeabilitet; $\mu _{r}$ ligg mellom 15 og 1.500, medan maks flukstettleik er som for mangan-zink: 0,3 - 0,5 T. Men nikkel-zink har mykje høgare resistivitet enn mangan-zink, så virvelstraumstapa er tilsvarande lågare. Dette materialt vert nytta for frekvensar frå 1 - 2 MHz opp til fleire hundre MHz.

Jarnpulver består av fine jarnpartiklar heldt saman av eit bindemiddel. Denne blandinga vert pressa til ulike former, som ringkjerner, stavar, etc. og baka ved høge temperaturar. Det er i stort mon konsistensen og tettleken til jarnpulveret som bestemmer kva frekvensområde kjernane høver for. Avhengig av pulvertype kan slike fjerner nyttast frå 1 kHz til 300 MHz. Den relative permabiliteten $\mu _{r}$ er mykje mindre enn for ferrittkjerner; ikkje meir enn 75 under 100 kHz, 10 opp til 30 MHz og 3 opp til 200 kHz.

Transformatorar som arbeider i VHF-området (30 - 300 MHz) vert det som oftast nytta kyftkjerner. Spolane vert då vikla på ikkje-magnetism material, som plast. På grunn av at luft har mykje høgare reluktans enn ferro- og ferrimagnetiske materialar har spolane i slike transformatorar høge viklingstal.

Ved høge frekvensar fører straumfortrenging til at storparten av straumen går i eit tynt skikt ved overflata av leiaren. Dette gjer at det effektive arealet til leiaren vert mindre, og motstanden aukar. Om det ligg fleire leiarar tett saman vil ein liknande effekt, nærfelteffekten, òg føra til ein liknande auke i motstanden til leiaren.

Sjå òg

• Induksjonsmotor
• Elnett