ترانسفورماتور چیست؟

اگر دو سیم پیچ را در کنار یکدیگر قرار داده و از یکی از آنها جریان متغیری عبور دهیم ، در سیم پیچ دوم ولتاژی القا می شود . در واقع با عبور جریان متغیر از سیم پیچ اولیه یعنی سیم پیچی که ورودی به آن اعمال می شود ، در اطراف آن یک میدان مغناطیسی متغیر ایجاد می شود . این میدان متغیر، سیم پیچ دوم را قطع می کند و سبب القای ولتاژ در آن می شود . این پدیده اساس کار ترانسفورماتور است . دقت داشته باشید که در یک ترانسفورماتور بین سیم پیچ های اولیه و ثانویه هیچ گونه تماس الکتریکی وجود ندارد و انرژی ورودی تماماً از طریق میدان مغناطیسی به ثانویه منتقل می شود . در شکل (1) تصویری از یک نمونه ترانسفورماتور و در شکل (2) سمبل

مداری ترانسفورماتور نمایش داده شده است .

اغلب ، سیم پیچ های اولیه و ثانویه را بر اساس ولتاژ آنها نامگذاری می کنند . یعنی سیم پیچی که برای ولتاژ کم ساخته شده است ، سیم پیچ فشار ضعیف و سیم پیچی که برای ولتاژ زیاد ساخته شده است ، سیم پیچ فشار قوی نامیده می شود .
اما یک ترانسفورماتور ساده از هسته و دو سیم پیچ ساخته می شود که در ادامه به بررسی آنها می پردازیم .

هسته : هسته ترانسفورماتورها از ورقه های مغناطیسی یا فریت ساخته می شوند . ورقه ورقه کردن هسته ها و یا استفاده از فریت به عنوان هسته ، برای کاهش تلفات فوکو است . هسته ترانسفورماتورها باید تا حد امکان دارای قابلیت نفوذ مغناطیسی خوب و هدایت الکتریکی بد باشد . به همین دلیل هسته های فریتی فقط در صنعت مخابرات به کار می روند ، زیرا در این صنعت به دلیل وجود فرکانس های بالا ، تلفات فوکو در هسته زیاد می شود . در ترانسفورماتورهای قدرت از هسته های مغناطیسی ورقه ورقه استفاده می شود . برای جلوگیری از لرزش صفحات و ایجاد صدا ، ورقه ها باید کاملاً یه یکدیگر فشرده شوند . بستن ورقه ها به یکدیگر به وسیله پیچ یا خار و یا قابی که روی آنها پرس می شود ، انجام می گیرد . این وسایل توسط مواد عایق الکتریکی و غیر مغناطیسی از ورقه ها جدا نگه داشته می شود . در شکل (3) چند نمونه هسته ترانسفورماتور نمایش داده شده است .

 

سیم پیچ های ترانسفورماتور : سیم پیچ ترانسفورماتورها از جنس مس و یا آلومینیوم انتخاب می شود و در هر دو مورد سطح مقطع سیم ها به صورت گرد ، چهار گوش و یا به شکل ورق است . سیم پیچ های ترانسفورماتورهای کوچک را معمولاً بر روی قرقره می پیچند . جنس قرقره ها اغلب از ترموپلاست است . همچنین از سیم های لاکی با سطح مقطع گرد ، برای سیم پیچ ها استفاده می شود . این سیم پیچ ها دارای لایه های متعددی هستند که بر روی هم قرار می گیرند . تعداد لایه ها به ارتفاع و پهنای قرقره و قطر و تعداد دور سیم بستگی دارد . در موارد خاص نیز برای سیم پیچی ترانسفورماتورهای کوپک از سیم های نواری استفاده می شود . در ترانسفورماتورهای توان بالا ، به خصوص برای قسمت فشار ضعیف از سیم های چهار گوش با عایق کاغذی استفاده می شود . در اثر عبور جریان از سیم پیچ ها ، در آنها تلفات حرارتی ایجاد می شود . در عمل ، خنک شدن سیم ها از طریق سطح خارجی آنها صورت می گیرد . در ترانسفورماتورهای توان بالا چون تلفات حرارتی زیاد است ، باید چگالی جریان در سیم ها کم باشد تا امکان تبادل حرارتی میسر شده و از آسیب پذیری سیم پیچ ها جلوگیری شود . به همین دلیل هر چه قدرت ترانسفورماتور بیشتر باشد ، چگالی جریان سیم پیچ ها کمتر انتخاب می شود . البته چگالی جریان مجاز سیم ها به نحوه عایق بندی و روش خنک کنندگی ترانسفورماتور نیز مربوط می شود . مقدار ولتاژ ایجاد شده در ثانویه ترانسفورماتور بستگی به مقدار ولتاژ ورودی و نسبت دور سیم پیچ های اولیه و ثانویه دارد و رابطه آن به صورت زیر است .

 

که در این رابطه N₁ تعداد دور سیم پیچ اولیه ، N₂ تعداد دور سیم پیچ ثانویه و V₁ ولتاژ اولیه ترانسفورماتور است .

در حالت کلی برای ترانسفورماتورها نسبتی به نام نسبت دور ترانس تعریف می کنند که این نسبت به صورت زیر تعریف می شود .

که در این رابطه n نسبت دور ترانس است .
همانطور که از رابطه بالا مشاهده می شود نسبت دور ترانس بیان کننده این است که تعداد دور حلقه اولیه چند برابر تعداد دور حلقه ثانویه است و یا اینکه ولتاژ اولیه چند برابر ولتاژ ثانویه است و همچنین جریان ثانویه چند برابر جریان اولیه است . چنانچه تعداد دور ثانویه بیشتر از اولیه باشد ترانس افزاینده می باشد . یعنی اینکه ولتاژ خروجی از ولتاژ ورودی بیشتر است و بر عکس اگر تعداد دور ثانویه کمتر از تعداد دور اولیه باشد ترانس کاهنده می باشد . به این معنی که ولتاژ خروجی از ولتاژ ورودی کمتر است و بالاخره چنانچه تعداد دور اولیه با تعداد دور ثانویه مساوی باشد ، ولتاژ ورودی و ولتاژ خروجی با هم مساوی بوده و ترانس را یک به یک می نامند . به عنوان مثال اگر یک ترانس دارای 200 دور در اولیه و 400 دور در ثانویه باشد نسبت دور ترانس چقدر است ؟

بنابراین نسبت دور این ترانس 0.5 دور است که اصطلاحاً آن را یک ترانس یک به دو (1:2) می نامند .
همانطور که از رابطه بالا مشخص است در یک ترانس نسبت ولتاژهای اولیه به ثانویه با نسبت جریان ها رابطه عکس دارد . به عبارت دیگر چنانچه ترانس افزاینده باشد ، کاهنده جریان است و اگر کاهنده باشد ، افزاینده جریان است . به عنوان مثال فرض کنید ترانسفورماتوری داریم که در آن N₁=20 و N₂=400 و V₁=30v است و باری با مقاومت 1000Ω به ثانویه متصل می باشد . جریان های I₁ و I₂ را بدست آورید .

چون ولتاژ ثانویه ترانسفورماتور از ولتاژ اولیه آن بیشتر است ترانس افزاینده است .

بنابراین در یک ترانسفورماتور افزاینده ، جریان اولیه بیشتر از جریان ثانویه است .
توجه داشته باشید که جریان در ثانویه موقعی وجود دارد که ثانویه به بار متصل باشد . چنانچه ثانویه به بار متصل نباشد جریان ثانویه صفر بوده و ترانس در حالت بی باری است . در این حالت جریان بسیار ناچیزی در اولیه برقرار می شود که به علت تلفات ترانس است . به همین علت به آن جریان بی باری می گویند .
یک ترانس چه افزاینده باشد و چه کاهنده ، انرژی اضافی تولید نمی کند . به عبارت دیگر توان داده شده به اولیه در ثانویه ظاهر می گردد و یا توان ورودی برابر توان خروجی است . به عنوان مثال ، در مثال فوق مقدار توان اولیه و ثانویه را حساب کرده و با هم مقایسه کنید .

توان تحویلی به بار

همانطور که مشاهده می کنید توان اولیه و ثانویه با هم برابرند . البته تساوی توان های اولیه و ثانویه به شرط صفر بودن تلفات ترانس صادق است . در ادامه در رابطه با تلفات ترانس صحبت می کنیم .

تلفات ترانس : وقتی یک ترانس در حال کار است گرم می شود و یا حتی گاهی اوقات داغ می شود و این مسئله گواه این است که ترانس دارای تلفات است . در واقع ترانس کل انرژی دریافت نموده را در ثانویه تحویل نمی دهد و مقداری از انرژی را به صورت حرارت تلف می کند . راندمان یک ترانس یعنی نسبت توان خروجی به توان ورودی یک ترانس از رابطه زیر بدست می آید .

که در این رابطه ، η راندمان بر حسب درصد ، P_in توان اولیه ترانس و P_out توان ثانویه ترانس است . به عنوان مثال اگر یک ترانس 200 وات در اولیه خود دریافت کند و 180 وات به ثانویه بدهد دارای راندمانی برابر با 90 درصد است .

راندمان ترانس های قدرت معمولی حدود 80 تا 90 درصد است .
تلفات یک ترانس را می توان به دو دسته تلفات مسی و تلفات هسته تقسیم نمود . تلفات مسی تلفاتی است که در سیم پیچ های اولیه و ثانویه ترانس ایجاد می شود اما تلفات هسته خود به دو دسته تقسیم می شود که این دو دسته عبارتند از : 1- تلفات گردابی 2- تلفات هیسترزیس

تلفات گردابی ( Eddy Losses) : در یک سیم پیچ با هسته آهنی ، جریان متناوب در سیم پیچ ، ولتاژی در هسته ایجاد می کند و به علت هادی بودن هسته آهنی ، جریانی در هسته ایجاد می شود که به جریان گردابی مرسوم است . عبور جریان گردابی از هسته ، باعث ایجاد حرارت می شود و در نتیجه انرژی از بین می رود . همچنین جریان گردابی در خود فلویی ایجاد می کند که در خلاف جهت فلوی اصلی است و بنابراین جریان سیم پیچ بیشتر می شود تا فلوی لازم را ایجاد نماید . تلفات گردابی منحصر به تلفات در خود هسته نمی شود بلکه هر نوع هادی دیگری نیز که در نزدیکی سیم پیچ قرار گیرد ، در آن تولید جریان گردابی و در نتیجه حرارت می کند . در ترانس های تغذیه برای کاهش تلفات گردابی ، هسته ترانس را به صورت یکپارچه نمی سازند بلکه آن را به صورت ورقه هایی از جنس آهن سیلیس دار می سازند . ورقه های مزبور با رنگ عایقی پوشیده شده و بنابراین جریان های گردابی نمی توانند از یک ورقه به ورقه دیگر روند و در نتیجه تلفات گردابی به مقدار قابل توجهی کاهش می یابد . سیم پیچ های اولیه و ثانویه بر روی یک قرقره از جنس مقوای نسوز ، پلاستیک و یا فیبر استخوانی پیچیده می شوند و سیم پیچ های ثانویه بر روی سیم پیچ های اولیه پیچیده می شوند . قرقره مزبور بر روی ضلع وسط ورقه های E شکل قرار می گیرد . همچنین ورقه های E و I شکل به صورت یک در میان، لابه لای هم قرار می گیرند . در شکل (4) تصویری از ورقه های هسته یک ترانس تغذیه نمایش داده شده است .

 

تلفات هیسترزیس ( Hysteresis Losses ) : تلفات هیسترزیس در اثر خاصیت پس ماند مغناطیسی در هسته ایجاد می شود . به این معنی که عبور فلوی مغناطیسی از هسته آهنی در یک جهت ، باعث می شود هسته به مقدار کمی آهن ربا شده و در نتیجه در نیم سیکل بعدی مقداری انرژی برای از بین بردن خاصیت آهن ربایی نیم سیکل قبل تلف شود و این عمل دائماً تکرار می شود . البته مقدار تلفات هیسترزیس نسبت به تلفات گردابی در یک ترانس تغذیه کمتر است چرا که مقدار تلفات هیسترزیس بستگی به فرکانس داشته و در فرکانس های پایین مقدار آن کم است . اما مقدار آن با افزایش فرکانس به شدت افزایش می یابد . به علت تلفات گردابی و هیسترزیس ، در فرکانس های بالا معمولاً از هسته با پودر آهن ، فریت و یا هسته هوایی استفاده می شود . از این نظر هسته هوایی بهترین است چرا که تلفات مزبور در آن تقریباً صفر است .

جریان اتصال کوتاه در ترانسفورماتور : حالتی را که در آن سیم پیچ های ثانویه ترانسفورماتور در حال کار به هم متصل شوند یعنی مقاومت بار تقریباً به صفر برسد ، اتصال کوتاه ترانسفورماتور می نامند و جریانی را که در چنین حالتی از سیم پیچ ها می گذرد ، جریان اتصال کوتاه ترانسفورماتور می نامند . این جریان در ترانسفورماتورهایی که ولتاژ اتصال کوتاه کمی دارند ، بزرگ و در ترانسفورماتورهایی که ولتاژ اتصال کوتاه آنها بزرگ است ، کوچک خواهد بود . جریان اتصال کوتاه بزرگ می تواند به کلیدها ، محل انشعابات ، سیم ها و سایر وسایل الکتریکی موجود در مدار صدمه جدی وارد کند . بنابراین باید همواره دقت نمود که سیم پیچ های ثانویه ترانسفورماتورها با یکدیگر برخورد نکنند .

انواع ترانسفورماتور : ترانسفورماتورها انواع مختلفی دارند که در ادامه چند نوع از آنها را بررسی می کنیم .
ترانسفورماتور قدرت یا مبدل ولتاژ و یا ترانس تغذیه : ترانس تغذیه به ترانسی گفته می شود که اولیه آن باید به برق شهر متصل شود . همه دستگاه های الکترونیکی برای کار احتیاج به یک ولتاژ DC دارند . مقدار ولتاژ DC مزبور بر حسب نوع مدار دستگاه ، متفاوت بوده و به همین دلیل برای کاهش و یا افزایش برق شهر عموماً احتیاج به ترانسی است که ولتاژ متناوب برق شهر را به ولتاژ متناوبی با مقدار معین تبدیل نماید . دستگاه های الکترونیکی قدیمی که از مدارهای لامپی استفاده می کردند عموماً دارای ترانس تغذیه افزاینده بوده اند . در این ترانس ها ، ثانویه معمولاً چند سر بوده و یک یا چند سیم پیچ اضافی هم برای تهیه ولتاژ فیلامان لامپ ها وجود داشته است . در شکل (5) تصویر یک نوع ترانس تغذیه قدیمی و در شکل (6) سمبل مداری آن که وضعیت سیم پیچ های آن را مشخص می نماید مشاهده می شود .

     

در دستگاه های الکترونیکی جدید چون از ترانزیستور و قطعات نیمه هادی استفاده می شود و اینگونه مدارها به ولتاژهای کم نیاز دارند ، ترانس تغذیه عموماً کاهنده است . در اینگونه ترانس ها هم بر حسب نیاز ، ثانویه ممکن است چند سر با ولتاژهای مختلف داشته باشد . یک مزیت استفاده از ترانس در قسمت تغذیه دستگاه ها ، ایزوله شدن مدار از برق شهر است . به این معنی که چون فاز برق شهر نسبت به زمین ولتاژ دارد تماس بدن با سیم فاز خطر برق گرفتگی را ممکن می سازد . ولی استفاده از ترانس خطر برق گرفتگی را از بین می برد ، چرا که سیم پیچ اولیه با سیم پیچ ثانویه هیچ گونه تماس الکتریکی نداشته و بنابراین سیم های ثانویه ترانس نسبت به زمین ولتاژ ندارند و مستقل از مقدار ولتاژ ، تماس بدن با هر یک از سرهای ثانویه ، خطر برق گرفتگی ایجاد نمی کند . به همین علت در بعضی از موارد از ترانس یک به یک استفاده می شود . به این معنی که ترانس اگر چه 220 ولت به 220 ولت است ولی هیچ یک از سرهای ثانویه نسبت به زمین ولتاژ ندارند . به همین علت به ترانس یک به یک ، ترانس ایزولاسیون می گویند . در شکل های (7) و (8) سمبل های مداری دو نمونه ترانس تغذیه معمولی نمایش داده شده است .

 

در یک ترانس تغذیه علاوه بر معین بودن مشخصه نسبت ولتاژ ، می بایست معین شود که جریان نامی ترانس چقدر است ؟ معمولاً میزان جریان نامی ثانویه را برای ترانس تغذیه معین می کنند . مثلاً اگر گفته شود ترانس 220v به 12v و یک آمپر ، به این معنی است که این ترانس برای جریان یک آمپر در ثانویه طراحی شده است و بنابراین نباید بیشتر از یک آمپر از آن کشیده شود . گاهی اوقات به جای مشخص کردن جریان ، توان ترانس و به عبارتی ولت آمپر آن قید می شود . مثلاً اگر گفته شود ترانس220v به 18v و 90 وات ، به این معناست که ترانس برای حداکثر بار 90 وات طراحی شده است . بنابراین با داشتن مقدار ولتاژ ثانویه و رابطه توان ، جریان ثانویه به صورت زیر محاسبه می شود .

      
در نتیجه حداکثر جریان مجاز ثانویه این ترانسفورماتور 5A است .

البته در عمل می توان برای زمان کوتاهی ، از ترانس جریانی بیش از جریان نامی کشید ولی باید توجه نمود که کشیدن جریان بیش از مقدار نامی از یک ترانس باعث می شود که ترانس بیشتر از حالت عادی گرم شود و این باعث کاهش طول عمر آن می گردد . در نهایت اگر ثانویه ترانس را اتصال کوتاه کنیم جریانی به مقدار چندین برابر جریان نامی از ثانویه عبور می کند که به آن جریان اتصال کوتاه می گویند . اگر این اتصال کوتاه ادامه داشته باشد ترانس پس از مدت زمان کوتاهی خراب می شود . در این حالت به علت بیش از حد گرم شدن ترانس بوی شالاک ( رنگ عایق سیم های مسی ) به مشام می رسد و ترانس به شدت داغ می کند . نکته دیگر در مورد ترانس تغذیه این است که ولتاژ مشخص شده برای ثانویه ترانس ، به ازای جریان نامی ترانس است . در حالت بی باری ، ولتاژ ثانویه مقداری ( حدود 10% ) از ولتاژ مشخص شده بیشتر می باشد . به عنوان مثال یک ترانس 12 ولت ، در حالت بی باری در ثانویه دارای ولتاژی حدود 13 تا 14 ولت است و پس از کشیدن جریان نامی از آن باید ولتاژ ثانویه به حدود 12 ولت برسد .

خرابی های ترانس تغذیه : خرابی های ترانس تغذیه معمولاً یکی از موارد زیر می باشد .
1 – قطع شدن سیم پیچ های اولیه و ثانویه
2 – نیم سوز شدن ( اتصال کوتاه ناقص در سیم پیچ ها )
3 – اتصال کوتاه کامل
همه معایب ترانس معمولاً در اثر اضافه بار به وجود می آیند . اضافه بار یعنی اینکه جریان کشیده شده از ترانس از جریان نامی ترانس بیشتر باشد و بر حسب مقدار و مدت زمان اضافه بار ممکن است یکی از اشکالات فوق ایجاد شود . قطع شدن سیم پیچ اولیه و یا ثانویه باعث می شود وقتی اولیه را به برق متصل می کنیم در ثانویه هیچ ولتاژی ظاهر نشود . برای تحقیق خرابی مزبور می توان اولیه را از برق قطع کرده ، سیم پیچ های اولیه و ثانویه را به کمک اهم متر آزمایش نمود . در صورت قطع بودن سیم پیچ ، مقاومت بی نهایت قرائت می شود . مقاومت اهمی سیم پیچ های ترانس های تغذیه ، بر حسب توان نامی شان متفاوت است . هر چه توان ترانس بیشتر باشد مقاومت اهمی سیم پیچ هایش کمتر است . چرا که سیم های ضخیم تری برای سیم پیچ ها استفاده می نمایند . ترانس های تغذیه کاهنده معمولی دارای مقاومت چند ده تا چند صد اهم در اولیه و چند اهم در ثانویه می باشند . توجه نمایید که مقاومت سیم پیچ های اولیه ترانس های تغذیه کاهنده از مقاومت سیم پیچ های ثانویه بیشتر است . چرا که هم تعداد دور اولیه بیشتر بوده و هم قطر سیم پیچ آن کمتر است . زیرا همانطور که می دانید این نوع ترانس ها به علت کاهنده بودن ولتاژ ، افزاینده جریان هستند و بنابراین سیم پیچ ثانویه آنها از سیم پیچ اولیه ضخیم تر است . عیب معمول دیگر در ترانس های تغذیه ، نیم سوز شدن سیم پیچ ها است . در این حالت ترانس در خروجی ولتاژی کمتر از مقدار نامی داشته و در ضمن در حین کار بیش از حد داغ می شود و حتی بوی سوختگی به مشام می رسد . ادامه کار چنین ترانسی باعث اتصال کوتاه کامل و یا قطع کامل سیم پیچ مربوطه می گردد . همچنین از دیگر عیوب ترانس ، اتصال کوتاه شدن یکی از سیم پیچ ها با بدنه و یا اتصال بین سیم پیچ اولیه و سیم پیچ ثانویه است که با اهم متر باید تحقیق شود.