Jak działa transformator i dlaczego nie działa na prąd stały?

Transformator to podstawowy element energetyki i elektroniki, który umożliwia zmianę napięcia prądu zmiennego (AC) w sposób bezkontaktowy, z zachowaniem energii przy minimalnych stratach. Jest stosowany w zasilaczach, sieciach elektroenergetycznych, urządzeniach audio i przemysłowych układach sterowania.

---

Zasada działania

Transformator działa w oparciu o zjawisko indukcji elektromagnetycznej, odkryte przez Michaela Faradaya.

• Uzwojenie pierwotne (primary winding) – podłączone do źródła napięcia AC
• Uzwojenie wtórne (secondary winding) – dostarcza napięcie wyjściowe do obciążenia
• Rdzeń magnetyczny – materiał ferromagnetyczny skupiający strumień magnetyczny i zwiększający sprawność

Gdy przez uzwojenie pierwotne przepływa prąd zmienny, w rdzeniu powstaje zmienny strumień magnetyczny, który indukuje napięcie w uzwojeniu wtórnym zgodnie z prawem Faradaya:$$V_s = V_p \cdot \frac{N_s}{N_p}$$Vs​=Vp​⋅Np​Ns​​

gdzie:

• $V_s$Vs​ – napięcie wtórne
• $V_p$Vp​ – napięcie pierwotne
• $N_s$Ns​ – liczba zwojów uzwojenia wtórnego
• $N_p$Np​ – liczba zwojów uzwojenia pierwotnego

---

Dlaczego transformator nie działa na prąd stały?

Prąd stały (DC) nie powoduje zmiany strumienia magnetycznego w rdzeniu, dlatego nie indukuje napięcia w uzwojeniu wtórnym.

• Transformator wymaga prądu zmiennego, aby generować zmienny strumień magnetyczny.
• Przy próbie podłączenia DC do uzwojenia pierwotnego powstaje tylko prąd stały w uzwojeniu, co prowadzi do nagrzewania i możliwego uszkodzenia rdzenia i przewodów.

---

Przekładnia transformatora

Przekładnia transformatora decyduje o zmianie napięcia:$$\text{Przekładnia} = \frac{N_s}{N_p} = \frac{V_s}{V_p}$$Przekładnia=Np​Ns​​=Vp​Vs​​

• Transformator podwyższający – $V_s > V_p$Vs​>Vp​
• Transformator obniżający – $V_s < V_p$Vs​<Vp​

---

Straty i nagrzewanie

Transformator nie jest idealny – występują straty energii, które powodują nagrzewanie:

• Straty w rdzeniu (histereza, prądy wirowe) – związane z magnetyzacją rdzenia
• Straty w uzwojeniach (rezystancja przewodów) – powodują wydzielanie ciepła
• Straty dodatkowe – nieszczelności magnetyczne, straty mechaniczne

W celu minimalizacji nagrzewania stosuje się rdzenie laminowane lub toroidalne, które redukują prądy wirowe i poprawiają sprawność.

---

Rodzaje transformatorów

1. EI – klasyczne rdzenie w kształcie litery E i I, stosowane w zasilaczach i elektronice domowej
2. Toroidalne – rdzeń w kształcie pierścienia, mniejsze straty, ciche i kompaktowe
3. Autotransformatory – jedno uzwojenie pełniące rolę pierwotnego i wtórnego, stosowane przy niewielkiej różnicy napięć, lżejsze i tańsze, ale brak galwanicznej izolacji

---

Zastosowania transformatorów

• Sieci elektroenergetyczne – przesył energii wysokiego napięcia i obniżanie go do napięcia użytkowego
• Zasilacze – dostosowanie napięcia sieciowego do wymagań urządzeń elektronicznych
• Systemy audio – separacja galwaniczna, dopasowanie impedancji głośników
• Przemysł – sterowanie silnikami, układy rozdzielcze, UPS

---

Podsumowanie

Transformator to kluczowy element umożliwiający zmianę napięcia prądu zmiennego. Jego działanie opiera się na indukcji elektromagnetycznej, uzwojeniach pierwotnych i wtórnych oraz rdzeniu ferromagnetycznym. Transformator nie działa na prąd stały, ponieważ DC nie wytwarza zmiennego strumienia magnetycznego. Współczesne transformator stosuje się w energetyce, elektronice i przemyśle, a różne konstrukcje – EI, toroidalne czy autotransformatory – pozwalają dopasować układ do konkretnego zastosowania przy wysokiej sprawności i niskich stratach.