Трансформатор тока, напряжения. Понижающий, повышающий

Рис. 1. Трансформатор

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, в упрощённом случае, состоящее из двух индуктивных обмоток, связанных на каком-либо сердечнике (некая общая магнитопроводящая структура) (рис. 1). Данное устройство используется для преобразования одного переменного тока/напряжения в другой переменный ток/напряжение без изменения частоты.

Трансформатор состоит из двух обмоток — первичной и вторичной. Сама обмотка представляет собой катушку индуктивности. Пусть в первичной обмотке течёт переменный ток амплитудой $\displaystyle {{I}_{1}}$ при амплитуде напряжения $\displaystyle {{U}_{1}}$ . Количество витков в первичной обмотке $\displaystyle {{n}_{1}}$ , а индуктивность первичного контура — $\displaystyle {{L}_{1}}$ .

Т.е. параметры входного напряжения выглядят как:

$\displaystyle U={{U}_{1}}\sin (\omega t+{{\varphi }_{0}})$ (1)

где
- $\displaystyle U$ — текущее значение напряжение при значении времени $\displaystyle t$ ,
- $\displaystyle {{U}_{1}}$ — амплитудное (максимальное) значение напряжения,
- $\displaystyle \omega$ — циклическая частота колебания,
- $\displaystyle t$ — момент времени, в который мы рассматриваем значение параметра,
- $\displaystyle {{\varphi }_{0}}$ — начальная фаза колебания.

Переменный ток в первичной обмотке индуцирует переменное магнитное поле, которое распространяется в пространстве, и достигает второй обмотки. Во второй обмотке за счёт переменного магнитного поля (т.е. явления взаимной индукции) индуцируется переменное электрическое поле (т.е. переменный ток) с параметрами $\displaystyle {{I}_{2}}$ и $\displaystyle {{U}_{2}}$ . Количество витков во вторичной обмотке $\displaystyle {{n}_{2}}$ , а индуктивность вторичного контура — $\displaystyle {{L}_{2}}$ . При этом параметры выходного напряжения можно записать как:

$\displaystyle U={{U}_{2}}\sin (\omega t+{{\varphi }_{0}})$ (1)

где
- $\displaystyle U$ — текущее значение напряжение при значении времени $\displaystyle t$ ,
- $\displaystyle {{U}_{2}}$ — амплитудное (максимальное) значение напряжения,
- $\displaystyle \omega$ — циклическая частота колебания,
- $\displaystyle t$ — момент времени, в который мы рассматриваем значение параметра,
- $\displaystyle {{\varphi }_{0}}$ — начальная фаза колебания.

При этом циклическая частота и начальная фаза колебания сохраняются. Таким образом, трансформатор как система способен изменять амплитудные значения силы тока и напряжения переменного тока.

Для конкретного трансформатора можно ввести связь между напряжениями на первичной и вторичной обмотках (в случае магнитного поля, перпендикулярного площади витка обмотки):

$\displaystyle \frac{{{U}_{1}}}{{{U}_{2}}}=\frac{{{n}_{1}}}{{{n}_{2}}}$ (2)

где
- $\displaystyle {{U}_{1}}$ , $\displaystyle {{U}_{2}}$ — напряжение на первичной и вторичной обмотках соответственно,
- $\displaystyle {{n}_{1}}$ , $\displaystyle {{n}_{2}}$ — количество витков на первичной и вторичной обмотке.

Для трансформатора вводят параметр, характеризующий степень изменения амплитуды напряжения, — коэффициент трансформации:

$\displaystyle k=\frac{{{U}_{1}}}{{{U}_{2}}}$ (3)

где
- $\displaystyle k$ — коэффициент трансформации.

Исходя из этого коэффициента, трансформаторы можно разделить на:

понижающие ( $\displaystyle k>1$ ), т.е. трансформаторы, значение входного напряжения у которых больше, чем выходное,
повышающие ( $\displaystyle k<1$ ), т.е. трансформаторы, значение входного напряжения у которых меньше, чем выходное.

Вывод: задачи на трансформаторы чаще всего связаны с законом Ома, в котором задача теоретически разделена на две половины (цепь до трансформатора и цепь после трансформатора), значения параметров этих подсистем связываются соотношением (2).

Поделиться ссылкой: