Dit hoofdstuk behandelt transformatoren: hoe ze werken, hoe ze zijn opgebouwd en hoe je ermee rekent. Ook komen spoelen voor hoge frequenties aan bod, met hun specifieke kernmaterialen.
Een transformator (of kortweg trafo) zet wisselspanningen en -stromen om naar hogere of lagere waarden door middel van een magnetisch veld. De energie wordt overgebracht via inductie tussen twee spoelen die hetzelfde magnetische veld delen.
Een transformator bestaat uit:
Standaard transformator: De wikkelingen zijn om dezelfde kern gewikkeld, vaak over elkaar heen. De kern is opgebouwd uit geïsoleerde lamellen om wervelstromen te beperken.
Ringkerntrafo: De kern is ringvormig en de wikkelingen lopen rond de hele ring. Voordeel: het magnetische veld blijft beter binnen de wikkelingen, waardoor verliezen kleiner zijn.
Weekijzer is elektrisch geleidend. Zonder tegenmaatregelen zouden er wervelstromen in de kern ontstaan, wat leidt tot energieverlies (warmte). Oplossing: de kern wordt opgebouwd uit dunne, onderling geïsoleerde lamellen.
Bij gelijkstroom bereikt de stroom door de primaire wikkeling een constante waarde. Het magnetische veld verandert dan niet meer, waardoor er geen spanning wordt geïnduceerd in de secundaire wikkeling.
Bij wisselstroom wisselt de stroom voortdurend van richting. Hierdoor verandert het magnetische veld continu, wat een spanning induceert in de secundaire wikkeling.
Bij een ideale transformator (zonder verliezen) geldt:
De wikkelverhouding (verhouding van het aantal windingen) bepaalt hoe spanning en stroom worden getransformeerd.
Of: U2 = U1 × (N2 / N1)
De spanningsverhouding is gelijk aan de wikkelverhouding.
Of: I2 = I1 × (N1 / N2)
De stroomverhouding is omgekeerd aan de wikkelverhouding.
Een transformator heeft 1000 windingen primair en 250 windingen secundair. De primaire spanning is 100V. Wat is de secundaire spanning?
Oplossing: Wikkelverhouding = 1000 : 250 = 4 : 1
U2 = 100V × (250/1000) = 100V × 0,25 = 25V
Dezelfde trafo: de secundaire stroom is 1A. Wat is de primaire stroom?
Oplossing: De stroom transformeert omgekeerd.
I1 = 1A × (250/1000) = 1A × 0,25 = 0,25A
Een transformator transformeert niet alleen spanning en stroom, maar ook impedantie. Dit is belangrijk voor het aanpassen van schakelingen aan elkaar (bijv. versterker aan luidspreker).
Voorbeeld: Een trafo transformeert spanning met factor 3 omlaag (wikkelverhouding 3:1). Dan transformeert de impedantie met factor 32 = 9 omlaag.
Een wikkeling kan aftakkingen hebben: extra aansluitpunten tussen de uiteinden. Hiermee kun je verschillende spanningen uit één transformator halen.
Let op bij aftakkingen: Als je van meerdere aftakkingen tegelijk stroom afneemt, stroomt de totale stroom door het gemeenschappelijke deel van de wikkeling. De maximale stroom geldt voor alle aftakkingen samen, niet per aftakking!
Een smoorspoel is eigenlijk een transformator waarvan maar één wikkeling wordt gebruikt. Het is een spoel met:
Een onbelaste transformator (zonder belasting op de secundaire) trekt in theorie geen stroom. In de praktijk loopt er toch een kleine nullaststroom, omdat de primaire wikkeling een spoel is met enige reactantie. Als de reactantie veel groter is dan de ohmse weerstand, blijft het energieverlies klein.
Bij hogere frequenties (HF) gelden dezelfde principes als bij lage frequenties (LF), maar de praktische uitvoering verschilt.
De reactantie van een spoel is XL = 2πfL. Bij hogere frequentie is dezelfde reactantie te bereiken met minder zelfinductie, dus minder windingen.
Weekijzer is niet geschikt voor hoge frequenties:
Geschikte materialen voor HF:
| Materiaal | Kenmerken | Frequentiebereik |
|---|---|---|
| Ferriet | Keramisch materiaal met ijzeroxide, niet elektrisch geleidend | Tot enkele MHz (afhankelijk van type) |
| IJzerpoeder | Fijne ijzerdeeltjes in niet-geleidende massa | Tot ~30 MHz |
| IJzercarbonyl | IJzer-koolstof-zuurstofverbinding | Tot ~50 MHz |
| Lucht (geen kern) | Geen magnetisch materiaal nodig | Boven ~50 MHz |
Bij HF worden vaak ringkernen (toroids) van ferriet of ijzerpoeder gebruikt. Voordelen:
Spoelen met een "open" magnetisch veld (niet-ringkernen) kunnen ongewenste koppelingen met andere delen van de schakeling veroorzaken. Oplossing: een metalen afschermbus.
De afschermbus werkt doordat het wisselende magnetische veld een stroom induceert in het metaal. Deze stroom creëert een tegengesteld veld dat het oorspronkelijke veld buiten de bus opheft. Nadeel: de zelfinductie van de spoel wordt lager en verliezen nemen toe.