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. In hoofdstuk 4 zagen we dat in een spoel binnen een veranderend magnetisch veld een stroom ontstaat - dit principe heet inductie. Bij een transformator wordt de verandering van het magnetische veld niet veroorzaakt door een bewegende magneet, maar door stroomverandering in een andere spoel die hetzelfde veld deelt.
Een transformator bestaat uit:
Bij zeer hoge frequenties kan een wikkeling zelfs uit minder dan één winding bestaan!
Standaard transformator: De wikkelingen zijn om dezelfde kern gewikkeld, vaak over elkaar heen. De kern is opgebouwd uit geïsoleerde lamellen om wervelstromen te beperken. Bij deze constructie liggen de zijkanten van de kern vlak tegen de wikkelingen aan, zodat een groter deel van het magnetische veld binnen de wikkelingen blijft en minder magnetisch vermogen de ruimte in verdwijnt.
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. Je zou kunnen zeggen dat de spoel "in zijn eigen staart bijt" - er zijn geen open uiteinden waar het veld kan ontsnappen.
Weekijzer is elektrisch geleidend. Zonder tegenmaatregelen zouden er wervelstromen in de kern ontstaan, wat leidt tot energieverlies (warmte). Dit is hetzelfde effect als bij een inductiekookplaat, waar een pan met ijzeren bodem snel wordt verhit door het wisselende magnetische veld van een spoel onder de glasplaat. Bij een transformator is dit juist niet de bedoeling. 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. De weerstand van de spoel (en die van de spanningsbron) beperkt de stroomtoename totdat een stabiele eindwaarde is bereikt.
Bij wisselstroom wisselt de stroom voortdurend van richting. Hierdoor verandert het magnetische veld continu, wat een spanning induceert in de secundaire wikkeling. Een eventueel gelijkstroomdeel (gelijkstroom bovenop wisselstroom) wordt niet doorgegeven.
Bij een ideale transformator (zonder verliezen) geldt:
De wikkelverhouding (verhouding van het aantal windingen) bepaalt hoe spanning en stroom worden getransformeerd. Het principe is eenvoudig te begrijpen: elke winding in een wikkeling kun je zien als een kleine spanningsbron. Bij een veranderend magnetisch veld ontstaat in elke winding een spanning. De windingen staan in serie, dus de totale spanning is de som van alle windingspanningen. Daarom spreken we ook wel van "volt per winding".
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
Of anders beredeneerd: de primaire heeft 0,1 V per winding (100V / 1000 windingen). De secundaire heeft dezelfde volt per winding, dus 250 × 0,1V = 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). Omdat spanning en stroom op tegengestelde wijze worden getransformeerd, wordt de impedantie (Z = U/I) op een speciale manier getransformeerd.
Voorbeeld: Een trafo transformeert spanning met factor 3 omlaag (wikkelverhouding 3:1). Dan transformeert de impedantie met factor 32 = 9 omlaag.
Praktische toepassingen: Een voorbeeld van impedantietransformatie is de uitgangstransformator in veel audioversterkers: die transformeert de uitgangsimpedantie van de eigenlijke versterker naar die van de luidspreker. Ook in de eindtrap van bijna elke zender wordt impedantietransformatie toegepast.
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:
Eigenlijk is een smoorspoel een "doodgewone" zelfinductie zoals we die in hoofdstuk 4 en 5 tegenkwamen. Een ideale spoel zonder Ohmse weerstand heeft geen dissipatie. In werkelijkheid is die weerstand er altijd, maar als hij klein is in vergelijking met de reactantie van de spoel, is het verlies door nullaststroom ook klein. De reactantie beperkt dan het vermogen dat de weerstand in warmte kan omzetten.
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. De nullaststroom blijft ook bij belasting van de secundaire wikkeling lopen, samen met de belastingsstroom.
Bij hogere frequenties (HF) gelden dezelfde principes als bij lage frequenties (LF), maar de praktische uitvoering verschilt. De natuurkunde van wisselende magnetische velden bij hoge frequenties wijkt niet wezenlijk af van die bij lage frequenties, maar met de bijbehorende techniek ligt dat anders.
De reactantie van een spoel is XL = 2πfL. Bij hogere frequentie is dezelfde reactantie te bereiken met minder zelfinductie, dus minder windingen. Dit komt doordat de energieoverdracht effectiever is naarmate de stroom door een wikkeling sneller verandert.
Weekijzer is niet geschikt voor hoge frequenties om twee redenen:
Geschikte materialen voor HF:
| Materiaal | Kenmerken | Frequentiebereik |
|---|---|---|
| Ferriet | Keramisch materiaal met ijzeroxide (roest), niet elektrisch geleidend. Beschikbaar in verschillende vormen en samenstellingen voor verschillende frequentiegebieden. | Tot enkele MHz (afhankelijk van type) |
| IJzerpoeder | Fijne metallische ijzerdeeltjes samengeperst in niet-geleidende massa. Die fijne deeltjes zijn, in tegenstelling tot grote stukken ijzer, wel goed bestand tegen hoge frequenties. | Tot ~30 MHz |
| IJzercarbonyl | Verbinding van ijzer, koolstof en zuurstof. Op het oog vaak niet te onderscheiden van poederijzerkernen. | Tot ~50 MHz |
| Lucht (geen kern) | Geen magnetisch materiaal nodig - bij zeer hoge frequenties kan ook het beste kernmateriaal de snelle ompolingen niet meer bijhouden. | Boven ~50 MHz |
Bij HF worden vaak ringkernen (toroids) van ferriet of ijzerpoeder gebruikt. Voordelen:
Bij een ringkerntrafo valt aan de zelfinductie niets te regelen. Dat hoeft ook niet, omdat zelfinductie bij een trafo zonder afstemming niet kritisch is. In documentatie van ringkernen kun je vinden hoeveel windingen je bij een bepaald materiaal nodig hebt om een bepaalde zelfinductie te bereiken. De kleur van de kern geeft vaak het frequentiegebied aan.
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.