Hoe werkt een transformator?

Transformator is een soort elektrische apparatuur die gebruik maakt van het principe van elektromagnetische inductie, en de belangrijkste functie is het omzetten van verschillende spanningswaarden. Het werkingsprincipe van de transformator is gebaseerd op de wet van Faraday van elektromagnetische inductie, die in een paar belangrijke punten kan worden samengevat:
1. De wet van elektromagnetische inductie: wanneer de geleider in het magnetische veld beweegt of het magnetische veld door de geleider gaat, wordt de elektromotorische kracht (dat wil zeggen spanning) gegenereerd, wat het fenomeen van elektromagnetische inductie is. Op dezelfde manier ontstaat er, wanneer de stroom die door een draad gaat, verandert een veranderend magnetisch veld in de omringende ruimte, wat op zijn beurt een elektromotorische kracht creëert in een nabijgelegen geleider.
2. Hoofdcomponenten: De transformator bestaat hoofdzakelijk uit een ijzeren kern (of ferromagneetmateriaal) en ten minste twee groepen spoelen, namelijk de primaire spoel en de secundaire spoel. De ijzeren kern wordt gebruikt om de sterkte van het magnetische veld te vergroten en een pad met lage impedantie te bieden, waardoor een betere fluxoverdracht van de ene spoel naar de andere mogelijk is.
3. Principe: Wanneer de wisselstroom door de primaire spoel gaat, genereert deze een magnetisch veld dat in de loop van de tijd verandert. Door de aanwezigheid van de kern wordt dit veranderende magnetische veld geconcentreerd en effectief door de kern naar de secundaire spoel overgedragen. Wanneer dit veranderende magnetische veld door de secundaire spoel gaat, wordt er volgens de wet van Faraday ook een veranderende elektromotorische kracht gegenereerd in de secundaire spoel, waardoor er (als er belasting is) een wisselstroom wordt gegenereerd in de secundaire spoel.
4. Transformatorverhouding: Het spanningsomzettingsvermogen van de transformator (de transformatorverhouding genoemd) hangt af van de verhouding van de windingen in de primaire spoel en de secundaire spoel. Als de secundaire spoel bijvoorbeeld twee keer zoveel windingen heeft als de primaire spoel, wordt de primaire spanning "opgevoerd" tot tweemaal de spanning (ongeacht efficiëntieverliezen). De formule kan worden uitgedrukt als:
\[ \frac{V_p}{V_s}=\frac{N_p}{N_s} \]
Waar \(V_p \) en \(V_s \) de spanning van de primaire en secundaire spoelen vertegenwoordigen, en \(N_p \) en \(N _s \) vertegenwoordigen respectievelijk het aantal windingen van de primaire en secundaire spoelen.
5. Energiebehoud: Idealiter zal de transformator de energie niet verhogen of verlagen tijdens het spanningsveranderingsproces. Het ingangsvermogen (primair) moet gelijk zijn aan het uitgangsvermogen (secundair), met uitzondering van enkele onvermijdelijke verliezen zoals ijzer- en koperverliezen.
Transformatoren worden veel gebruikt in krachtoverbrenging, stroomadapters, audioapparatuur en hoogfrequente circuits zoals schakelende voedingen en elektronische transformatoren. Ze vormen een integraal onderdeel van de elektrotechniek. In verschillende toepassingen zal het ontwerp en de materiaalkeuze van de transformator variëren om aan de overeenkomstige prestatie-eisen te voldoen.