Spis treści:
Nawet przy niewprawnym rozkręcaniu albo oglądaniu sprzętu elektronicznego w oczy rzuca się charakterystyczny, metalowy obwarzanek owinięty miedzianymi drutami. Ten smakowicie wyglądający element to transformator toroidalny, który obok wersji w kształcie liter E i I jest dość częstym elementem urządzeń elektrycznych. Dziś trochę o tym, jakie funkcje pełni w systemach elektrycznych i jakie są jego zalety.
Co powoduje transformator?
To znacznie lepiej zadane pytanie niż “jak działa”. Kluczowa rola transformatorów w układach elektronicznych to dostosowywanie napięcia. Napięcie sieciowe domowego gniazdka rzędu 230V jest zbyt wysokie dla urządzeń takich jak telewizory, odtwarzacze audio czy komputery.
Transformator odpowiada za obniżanie go i zapewnienie możliwości bezpiecznej pracy – w przeciwnym razie listę problemów otwierają niestabilne działanie, kończy się ona zaś na przepaleniu podzespołów, a nawet ryzyku pożaru. Transformator może też zwiększyć napięcie – przykładem urządzenia o wyższych wymaganiach jest kuchenka mikrofalowa, bo okazuje się, że ogrzanie jedzenia wymaga aż 2000V.
Zmiana napięcia jest możliwa dzięki wykorzystaniu zjawiska indukcji magnetycznej. W transformatorze znajduje się zazwyczaj para uzwojeń – pierwotne i wtórne.
W momencie przepływu prądu przemiennego przez uzwojenie pierwotne powstaje zmienne pole magnetyczne, które indukuje napięcie we wtórnym uzwojeniu. W przypadku, gdy liczba zwojów na cewce wtórnej jest większa od liczby zwojów na cewce pierwotnej, to napięcie wyjściowe będzie wyższe. Analogicznie jeśli liczba zwojów na cewce pierwotnej jest wyższa od liczby zwojów na cewce wtórnej, to napięcie wyjściowe będzie wówczas niższe.
Transformator toroidalny - budowa
Pierwsze transformatory toroidalne pojawiły się pod koniec XIX wieku. Nie istniała wtedy efektywna metoda nawijania uzwojenia na rdzeń, zatem pracę trzeba było wykonywać ręcznie. W gruncie rzeczy koszty produkcji tego rodzaju transformatorów przewyższały zalety wynikające z ich użycia. Dopiero rozwój technologii w połowie XX wieku pozwolił na zmechanizowanie procesu nawijania miedzianego drutu na rdzeń, co przełożyło się na niższe koszta produkcji. Wśród elementów składających się na transformator toroidalny możemy wyróżnić:
- Rdzeń w kształcie torusa (powierzchnia obrotowa kojarząca się z oponą), wokół którego nawinięte są uzwojenia. Jest wykonywany z materiału o właściwościach ferromagnetycznych, takiego jak żelazo lub stop magnetyczny. Właściwości magnetyczne rdzenia odgrywają kluczową rolę w transformacji napięcia, ponieważ wpływają na zdolności transformatora do koncentracji i przenoszenia strumienia magnetycznego.
- Uzwojenie pierwotne podłączane do źródła napięcia wyjściowego. Liczba zwojów w cewce pierwotnej i przyłożone do niej napięcie określają napięcie pierwotne i współczynnik zwojów transformatora.
- Uzwojenie wtórne, które jest odizolowane od pierwotnego. Jest podłączane do wyjścia transformatora. Liczba zwojów w cewce wtórnej w stosunku do cewki pierwotnej określa współczynnik transformacji napięcia.
- Materiał izolacyjny używany do oddzielania cewek pierwotnych i wtórnych. Zapobiega kontaktowi elektrycznemu i powstawaniu zwarć między cewkami. Dodatkowo materiały izolacyjne są nakładane na przewód w celu ochrony przed wyładowaniami i innymi zagrożeniami.
- Przewody doprowadzające – te są podłączane do końców uzwojenia pierwotnego i wtórnego. Służą jako zaciski wejściowe i wyjściowe transformatora. Przewody zazwyczaj wyprowadza się poza obudowę transformatora w celu podłączenia do obwodu zewnętrznego.
Zalety transformatora toroidalnego
Używanie transformatorów toroidalnych w sprzęcie elektronicznym niesie ze sobą wiele korzyści. Jedną z ich głównych zalet jest wysoka wydajność – zwyczajnie marnują mniej energii w postaci ciepła podczas procesu transformacji napięcia, a to przekłada się na poprawę ogólnej wydajności cieplnej. Toroidalny kształt pozwala na bardziej praktyczną i poręczną konstrukcję, przez co transformatory toroidalne są mniejsze i lżejsze w porównaniu z innymi typami transformatorów. Idzie za tym znany argument z elektroniki montażowej – rozmiar jest szczególnie istotny w układach o ograniczonej przestrzeni. Dodatkowo zamknięta konstrukcja rdzenia minimalizuje magnetyczne ubytki, co zmniejsza zakłócenia i promieniowanie elektromagnetyczne, chroniąc tym samym wrażliwe elementy układu. Zmniejszony upływ magnetyczny i minimalne wibracje rdzenia przekładają się na niższy poziom słyszalnego hałasu, co znajdzie idealne zastosowanie w sprzęcie audio.
Transformatory toroidalne cechują się wyjątkową trwałością. Części, z których się składają, takie jak miedziane uzwojenia, zużywają się wolniej niż w przypadku innych transformatorów. Oprócz tego toroidalna konstrukcja rdzenia jest bardziej odporna na nasycenie, co pozwala im wytrzymać nagły wzrost obciążenia spowodowany krótkimi przeciążeniami. Izolacja zastosowana między uzwojeniem pierwotnym i wtórnym zwiększa bezpieczeństwo całego układu, dzięki temu transformator ten doskonale sprawdzi się w urządzeniach wrażliwych na skoki napięcia.
Amatorzy elektroniki, którzy zajmują się budową własnych urządzeń, stawiają na transformatory toroidalne ze względu na łatwość montażu, który wymaga użycia prostych narzędzi warsztatowych i wsporników. Na zakończenie: elastyczność. Transformatory toroidalne pracują w szerokim zakresie częstotliwości, a to oznacza, że mogą być dostosowane do do określonych wymagań dotyczących napięcia, prądu i impedancji. Transformatory toroidalne warto zastosować wszędzie tam, gdzie poszukiwana jest niska emisja szumów i niski profil magnetyczny – nie tylko w dość oczywistych zastosowaniach audio, ale choćby i w systemach zasilania elektroniki przemysłowej czy sprzęcie pomiarowym.
