2000-05: Transformatoren

Een transformator bestaat uit twee wikkelingen gewikkeld om een gemeenschappelijke ferromagnetische kern. De ene wikkeling noemen we de primair en de tweede de sekondair. Die naamgeving is konventioneel en omwisselbaar, want transformatoren zijn in principe volkomen omkeerbaar. We spreken gewoon af dat we de links getekende wikkeling primair noemen, en de rechtse wikkeling sekondair. Er kunnen ook meerdere wikkelingen op de kern worden aangebracht net zoals het ook kan voorkomen dat bepaalde wikkelingen van aftakkingen worden voorzien.

Algemene wetmatigheden:

Voor 'ideale' transformatoren waarvoor we aannemen dat de weerstand van de wikkelingen nul is, evenals de verliezen in de kern, gelden volgende fundamentele betrekkingen:

Pprimair = Psekondair

Up / Us = Is / Ip = SQR(Zp / Zs) = n

n = wikkelverhouding van de transformator = Np/Ns

Naargelang toepassing en opbouw kunnen we verschillende types transformatoren onderscheiden:

1. Spanningstransformatoren

Deze worden veelal gebouwd om de netspanning naar een andere waarde te transformeren. De gespecifieerde parameters zijn de primaire spanning en en sekondaire spanning(en), evenals het vermogen (in VA) en de werkfrekwentie (50Hz, 60Hz, 400Hz). De sekondaire spanning kan lager zijn, bvb. 6V, 9V, 15V...48V of veel hoger dan de primair, bvb. 450V of zelfs 8kV in geval van transformatoren voor neon-reklameverlichting. Wanneer de sekondaire spanning gelijk is aan de primaire, dan spreken we van een isolatietransformator. Deze worden veelvuldig toegepast wanneer om veiligheidsredenen een galvanische koppeling met het stroomnet moet worden vermeden. Ook in professionele audio opnamestudios treffen we hen aan om ground-loops te vermijden.

Het nominaal vermogen van de transformator kan worden ingeschat aan de hand van de benaderende relatie A = 1.2 SQR(P), waarin A de kerndoorsnede is in cm2. Deze vuistregel geldt alleen voor 50Hz transformatoren waarin van blikpaketten gebruik wordt gemaakt.

2. Impedantietransformatoren

Wanneer van een transformator de primaire en de sekondaire impedantie gespecifieerd zijn (in dat geval hebben we bij transformatoren voorzien van een mu-metalen kern bijna steeds te maken met transformatoren voor het audio bereik), dan kan de spanningstransformatie berekend worden als:

n= SQR(Zp / Zs)

Voorbeeld 1: Voor een mikrofooningangstransformator wordt opgegeven 600 Ohm : 10 kOhm. De transformatie verhouding is dan 4. Wanneer we onze mikrofoon aan de 600 Ohm wikkeling aansluiten en gesteld dat die een nominaal signaal afgeeft van 1mV, dan zullen we sekondair 4mV ter beschikking krijgen. 12dB spanningswinst dus. Een konkreet toepassingvoorbeeld is getekend in volgend schema voor een mikrofoonversterker: De ingang maakt gebruik van het centrale aftakpunt in de 600 Ohm wikkeling voor de verzorging van de fantoom spanning nodig voor het voeden van een kondensatormikrofoon. De sekondair van de transfo is afgesloten met een weerstand van 10k. De schakeling zoals hier gedimensioneerd is extreem gevoelig en kan makkelijk worden overstuurd door een te groot mikrofoonsignaal. Om dit te voorkomen kan de 1M8 weerstand in de feedbackloop van de op-amp instelbaar worden gemaakt (potmeter) zodat de gain kan worden teruggebracht naar behoefte.

Voorbeeld 2: In PA systemen worden vaak 100V lijnen gebruikt voor de distributie van audio signalen naar grote reeksen luidsprekersystemen. Daarvoor worden speciale transformatoren gebruikt waarbij de primaire wikkeling (met aftakkingen) een aantal vermogens specifieert, terwijl de sekondaire slechts een (soms twee) impedanties opgeeft:

Naargelang het vermogen dat we afgegeven willen zien aan de luidspreker (die wordt aangesloten overeenkomstig zijn impedantie, op de sekondair), sluiten we onze 100V bron aan op de overeenkomstige aansluitingen aan de primaire zijde. Het is duidelijk dat de opgaven van de fabrikant hier volkomen gericht zijn op de beoogde toepassing. We kunnen immers ook alle gegevens omrekenen naar de overeenkomstige impedanties en dan komt de transformator specifikatie eruit te zien als:

Zouden we dergelijke transformator nu willen inzetten in een push-pull uitgangstrap, dan kunnen we de transformator beter voorstellen als:

Merk op dat we hier aan primaire zijde de oorspronkelijk als 40W gemarkeerde wikkeling (250 Ohm tegenover com) gebruiken als centraal punt van een symmetrische wikkeling. We hermarkeren deze aansluiting als com, waarbij de oorspronkelijke com aansluiting evenals de 10W (1k Ohm) aansluitingen beide een aanduiding krijgen van 250 Ohm. Wanneer we de transformator in deze konfiguratie afsluiten met een belasting van 8 Ohm, dan wordt de transformatieverhouding 5.59 (Up/Us = SQR(250/8) = 5.59. Aangezien we evenwel beide wikkelingen om beurten gebruiken in een push-pull schakeling wordt de netto spanningsverhouding 5.59 / 2 = 2.8. Voor de 15 Ohm aansluiting wordt dit in dit geval 2.

Push-pull transformatoren waren schering en inslag in de tijd toen buizen de gangbare komponenten waren waarmee audio-versterkers werden opgebouwd. Met de opkomst van transistoren raakten ze wat verdrongen. Maar toch kunnen ze ook vandaag nog goede diensten bewijzen, o.m. in kombinatie met digitaal aangestuurde vermogensmosfets.

Noteer dat voor alle audiotransformatoren de impedanties gemeten en opgegeven worden bij een frekwentie van 1kHz.

Het zelf uitmeten van onbekende transformatoren moet gebeuren volgens een procedure in verschillende stappen:

a. bepaal wat de primaire wikkeling is en wat de sekundaire (met een Ohm-meter bvb.). Neem nu -konventioneel- de wikkeling met de laagste weerstand als sekondair.

b. bepaal aan de hand van de opbouw van de kern of je te maken hebt met een netspannings transformator dan wel met een audio transformator. Transformatoren waarvan de kern een luchtspleet heeft zijn onveranderlijk voor audio bedoeld.

c. sluit een laagohmige spanningsbron aan (frekwentie 1kHz voor audio- , of 50Hz voor netspannings transformatoren) op de primaire. Meet de spanning parallel op de primaire aansluiting (Up) . Meet de onbelaste spanning op de sekondaire wikkeling (Uso).

Wanneer het een netspanningstransfo betreft, dan zal die open klem spanning tussen de 3 en de 20% hoger zijn dan de nominale spanning waarvoor de transformator werd ontworpen. Hiermee kennen we dan meteen de transformatieverhouding.

Wanneer het evenwel een audio-transformator betreft, dan is die bijna steeds bedoeld om voor een ideale vermogensaanpassing in te staan. Daarbij is de ideale belasting gelijk aan de impedantie van de transformator. In dit geval gaan we verder tewerk alsvolgt: Sluit een regelbare belastingsweerstand aan op de sekondaire en -terwijl de spanningsmeter sekondair aangesloten blijft- regelen we die weerstand bij tot de spanning over de sekondair tot de helft is gezakt (Uso / 2). Een weerstandsmeting van de belastingsweerstand levert ons nu de waarde op van de sekondaire impedantie Zs. De verhouding van aangelegde ingangsspanning tot de belaste uitgangsspanning, levert ons de transformatie verhouding op. (Up / Usl )

d. Meet met een schuifpasser of een mikrometer de diameter van de gebruikte koperdraad in primaire en sekondaire wikkeling. Aan de hand van een koperdraadtabel weten we daarmee meteen voor welke stroomsterkten de transformator bedoeld is. Een grof idee van het vermogensbereik is ook af te leiden uit het gewicht van de transformator, aangezien de hoeveelheid ijzer recht evenredig is met het maximaal toegelaten vermogen.

e. alle overige gewenste parameters kunnen nu aan de hand van de formules worden berekend.

Een ideale transformator die primair op een spanningsbron wordt aangesloten en sekondair niet wordt belast, verbruikt geen vermogen. In de praktijk echter zijn er zowel resistieve verliezen in de koperwikkelingen als verliezen ten gevolge van de eindige magnetiseerbaarheid van het kernmateriaal. Door meting van het opgenomen vermogen bij nullast, kunnen we een kwantitatief idee krijgen van de verliezen en daarmee van de mate waarin een gegeven transformator van het ideaal afwijkt. De wikkelverhouding van de transformator zal in de praktijk steeds wat groter zijn dan de aan de hand van de spanningsverhouding gemeten Np/Ns. . Anders gesteld, om de koperverliezen te kompenseren zal de fabrikant op de sekondair steeds wat meer windingen aanbrengen dat wat nodig zou zijn om de gewenste spanningsverhouding te bereiken.

3. Stroomtransformatoren

Deze transformatoren worden veelvuldig gebruikt voor stroommetingen in elektrische kringen. Hierbij bestaat de primaire uit 1 tot enkele wikkelingen en is de sekondair extreem hoogohmig uitgevoerd. De kortsluitstroom in de sekondair is een maat voor de primaire stroom. De ampere-meettang berust op dit principe.

Stroomtransformatoren hebben ook geheel andere industriele toepassingsgebieden zoals bvb. voor het smelten van metalen waarbij de stroomwikkeling gevormd wordt door het te smelten metaal.

4. Auto-transformatoren:

Dit zijn geen transformatoren voor auto's maar wel een bijzonder type transformator waarbij de primaire en de sekondaire wikkeling voor een deel gemeenschappelijk is. Hierdoor kan op koperdraad worden bespaard hoewel een belangrijk voordeel van de transformator, met name de galvanische scheiding tussen primair en sekondair, helemaal verloren gaat. In de periode dat de netspanning gewijzigd werd van 110V of 127V naar 230V ( en da's inmiddels toch meer dan zestig jaar geleden) waren zij bijzonder populair en in bijna elk huis aan te treffen. Vandaag kan hun gebruik niet langer worden aanbevolen. Als reisaccessoire worden ze nog wel gemaakt voor mensen die Amerikaanse apparatuur op 110V, of Japanse op 100V, in Europa willen gebruiken.

5. Regelbare transformatoren

Dit zijn toroidaal gewikkelde transformatoren, meestal van het autotransformator type, waarbij de wikkeling via een regelknop op elke gewenste plek kan worden afgetakt. Zij worden vooral toegepast in laboratoria en werkplaatsen. Het gebruik ervan door onbevoegden kan gevaren opleveren.

Voor het booglassen werden vroeger wel speciale transformatoren met hoge vermogens ( 3 tot 20kW) gebouwd, waarbij een regeling van het afgegeven vermogen werd bewerkstelligd door het verschuiven van een deel van de magnetische kern. Ook dit zijn dus eigenlijk regelbare transformatoren. Door hun groot gewicht en de intrinsiek grote vermogensverliezen, zijn ze vandaag in onbruik geraakt.

Nota m.b.t. impedantietransformatie:

transformatoren hoeven niet noodzakelijk te worden belast met hun nominale impedantie. Ze kunnen ook worden ingezet om impedanties te transformeren. We kunnen dit eenvoudig nagaan met een impedantiemeter (bvb. Hameg HM8018 LCR meter): sluit een weerstand van een geschikte waarde aan over de sekundair van een transfo en meet de impedantie van de primair: we vinden de weerstandwaarde terug vermenigvuldigd (of gedeeld) door de transformatieverhouding. De impedantie is naar onder toe natuurlijk wel beperkt tot de waarde van de weerstand van de wikkeling. Daarom zal men met een kortgesloten primaire wikkeling, toch nooit een nul impedantie meting op de sekondair hebben. Elektrotechnisch gesproken wordt de impedantietransformatie mogelijkheid beperkt door de Q-faktor van de wikkelingen beschouwd als spoel, waarbij Q = Induktieve reaktantie van de spoel / Weerstand van de wikkeling = Xl / Ri. De induktieve reaktantie wordt gegeven door de formule: Xl = 2 .¶. f .L