Wicklungskonfigurationen

Transformatoren mit mehreren Sekundärteilen

Transformatoren sind sehr vielseitige Geräte. Das Grundkonzept der Energieübertragung zwischen Gegeninduktivitäten ist zwischen einer einzelnen Primär- und einer einzelnen Sekundärspule nützlich, aber Transformatoren müssen nicht mit nur zwei Wicklungssätzen hergestellt werden. Betrachten Sie diese Transformatorschaltung:

Transformator mit mehreren Sekundärteilen bietet mehrere Ausgangsspannungen.

Dabei teilen sich drei Induktorspulen einen gemeinsamen Magnetkern, der sie magnetisch „koppelt“ oder „verbindet“. Die Beziehung zwischen Wicklungswindungsverhältnissen und Spannungsverhältnissen, die bei einem einzelnen Paar von Gegeninduktivitäten beobachtet wurden, gilt auch hier für mehrere Spulenpaare.

Es ist durchaus möglich, einen Transformator wie den obigen (eine Primärwicklung, zwei Sekundärwicklungen) zusammenzubauen, bei dem eine Sekundärwicklung eine Abwärts- und die andere eine Aufwärtswicklung ist.

Tatsächlich war diese Transformatorkonstruktion bei Stromversorgungsschaltungen für Vakuumröhren weit verbreitet, die eine Niederspannung für die Glühfäden der Röhren (typischerweise 6 oder 12 Volt) und eine Hochspannung für die Platten der Röhren (mehrere hundert Volt) von eine nominale Primärspannung von 110 Volt AC.

Mit einem solchen Transformator sind nicht nur Spannungen und Ströme völlig unterschiedlicher Größenordnung möglich, sondern alle Stromkreise sind galvanisch voneinander getrennt.

Foto eines Mehrwicklungstransformators mit sechs Wicklungen, einer Primärwicklung und fünf Sekundärwicklungen.

Der Transformator in der Abbildung oben soll sowohl hohe als auch niedrige Spannungen liefern, die in einem elektronischen System mit Vakuumröhren erforderlich sind. Niedrige Spannung ist erforderlich, um die Filamente von Vakuumröhren zu versorgen, während Hochspannung erforderlich ist, um die Potentialdifferenz zwischen den Platten- und Kathodenelementen jeder Röhre zu erzeugen.

Ein Transformator mit mehreren Wicklungen reicht aus, um alle notwendigen Spannungspegel aus einer einzigen 115-V-Quelle elegant bereitzustellen. Die Drähte für diesen Transformator (15 davon!) sind auf dem Foto nicht zu sehen, da sie nicht sichtbar sind.

Wenn die galvanische Trennung zwischen den Sekundärkreisen nicht von großer Bedeutung ist, kann ein ähnlicher Effekt erzielt werden, indem eine einzelne Sekundärwicklung an mehreren Stellen entlang ihrer Länge „abgegriffen“ wird, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.

Eine einzelne angezapfte Sekundärseite liefert mehrere Spannungen.

Mehrpoliger Schalttransformator

Ein Abgriff ist nichts anderes als eine Drahtverbindung, die an einer Stelle zwischen den Enden einer Wicklung hergestellt wird. Es überrascht nicht, dass die Beziehung zwischen Wicklungswindung und Spannungsgröße eines normalen Transformators für alle angezapften Wicklungssegmente gilt. Diese Tatsache kann ausgenutzt werden, um einen Transformator herzustellen, der mehrere Übersetzungsverhältnisse aufweisen kann:

Eine angezapfte Sekundärspannung mit einem Schalter zur Auswahl einer von vielen möglichen Spannungen.

Variabler Transformator

Wenn wir das Konzept des Wickelns von Anzapfungen weiterführen, erhalten wir einen „variablen Transformator“, bei dem ein Schleifkontakt entlang einer freiliegenden Sekundärwicklung bewegt wird und an jeder Stelle seiner Länge mit ihm verbunden werden kann. Der Effekt ist äquivalent zu einem Wicklungsabgriff an jeder Windung der Wicklung und einem Schalter mit Polen an jeder Abgriffsposition:

Ein Schleifkontakt auf der Sekundärseite verändert kontinuierlich die Sekundärspannung.

Eine Verbraucheranwendung des Stelltransformators sind Geschwindigkeitsregelungen für Modelleisenbahnen, insbesondere die Triebzüge der 1950er und 1960er Jahre. Diese Transformatoren waren im Wesentlichen Abwärtstransformatoren, wobei die höchste von der Sekundärwicklung erhältliche Spannung wesentlich niedriger war als die Primärspannung von 110 bis 120 Volt Wechselstrom.

Der Kontakt mit variablem Sweep bietet eine einfache Möglichkeit zur Spannungsregelung mit wenig Energieverlust, viel effizienter als die Steuerung mit einem variablen Widerstand!

Gleitkontakte sind zu unpraktisch, um in großen industriellen Leistungstransformatoren verwendet zu werden, aber mehrpolige Schalter und Wicklungsanzapfungen sind für die Spannungsanpassung üblich. In Stromversorgungssystemen müssen regelmäßig Anpassungen vorgenommen werden, um Laständerungen über Monate oder Jahre hinweg zu berücksichtigen, und diese Schaltkreise bieten eine bequeme Möglichkeit.

Typischerweise sind solche „Stufenschalter“ nicht für den Volllaststrom ausgelegt, sondern dürfen nur betätigt werden, wenn der Transformator stromlos ist (kein Strom).

Autotransformator

Da wir jede Transformatorwicklung abgreifen können, um das Äquivalent mehrerer Wicklungen zu erhalten (wenn auch mit Verlust der galvanischen Trennung zwischen ihnen), ist es sinnvoll, dass es möglich sein sollte, auf die galvanische Trennung ganz zu verzichten und einen Transformator aus einer einzigen Wicklung zu bauen. Tatsächlich ist dies möglich, und das resultierende Gerät wird als Spartransformator bezeichnet :

Dieser Spartransformator erhöht die Spannung mit einer einzelnen angezapften Wicklung, spart Kupfer und opfert Isolierung.

Der oben abgebildete Spartransformator führt eine Spannungserhöhungsfunktion durch. Ein Abwärts-Autotransformator würde in etwa wie in der Abbildung unten aussehen.

Dieser Spartransformator reduziert die Spannung mit einer einzigen kupfersparenden Stufenwicklung.

Spartransformatoren werden häufig in Anwendungen verwendet, die eine leichte Erhöhung oder Reduzierung der Spannung an einer Last erfordern.

Die Alternative mit einem normalen (isolierten) Transformator wäre, entweder genau das richtige Primär-/Sekundärwicklungsverhältnis für die Aufgabe zu verwenden oder eine Abwärtskonfiguration zu verwenden, bei der die Sekundärwicklung in Reihenschaltung („Boosting“) oder Reihenschaltung geschaltet ist. gegensätzliche ("ruckelnde") Mode.

Primär-, Sekundär- und Lastspannungen werden angegeben, um zu veranschaulichen, wie dies funktionieren würde.

Autotransformator-Konfigurationen

Zuerst die „Boosting“-Konfiguration. In der Abbildung unten ist die Polarität der Sekundärspule so ausgerichtet, dass ihre Spannung direkt zur Primärspannung addiert wird.

Normaler Transformator, der als Spartransformator verdrahtet ist, um die Netzspannung zu erhöhen.

Als nächstes die "ruckelnde" Konfiguration. In der Abbildung unten ist die Polarität der Sekundärspule so ausgerichtet, dass ihre Spannung direkt von der Primärspannung abgezogen wird:

Normaler Transformator, der als Spartransformator verdrahtet ist, um die Netzspannung abzusenken.

Der Hauptvorteil eines Spartransformators besteht darin, dass die gleiche Boost- oder Bucking-Funktion mit nur einer einzigen Wicklung erreicht wird, wodurch er billiger und leichter herzustellen ist als ein normaler (isolierender) Transformator mit sowohl Primär- als auch Sekundärwicklung.

Variak-variabler Autotransformator

Wie bei normalen Transformatoren können Autotransformatorwicklungen angezapft werden, um Variationen im Verhältnis zu ermöglichen. Darüber hinaus können sie mit einem Schleifkontakt stufenlos regelbar gemacht werden, um die Wicklung an jeder Stelle ihrer Länge abzugreifen.

Letztere Konfiguration ist beliebt genug, um sich einen eigenen Namen zu verdienen:die Variac . (Abbildung unten)

Ein Variac ist ein Spartransformator mit Schieberegler.

Kleine Variacs für den Benchtop-Einsatz sind beliebte Ausrüstungsgegenstände für den Elektronik-Experimentierer, die in der Lage sind, die Haushalts-Wechselspannung mit einem weiten, feinen Regelbereich durch einfaches Drehen eines Knopfes zu senken (oder manchmal auch zu erhöhen).

RÜCKBLICK:

• Transformatoren können mit mehr als nur einem einzigen Primär- und einem einzelnen Sekundärwicklungspaar ausgestattet werden. Dies ermöglicht mehrere Aufwärts- und/oder Abwärtsverhältnisse im selben Gerät.
• Transformatorwicklungen können auch „angezapft“ werden, d. h. an vielen Punkten gekreuzt werden, um eine einzelne Wicklung in Abschnitte zu unterteilen.
• Variable Transformatoren können hergestellt werden, indem ein beweglicher Arm bereitgestellt wird, der sich über die Länge einer Wicklung bewegt und die Wicklung an jedem Punkt ihrer Länge berührt. Die Wicklung muss natürlich im Bereich, in dem der Arm überstreicht, blank (keine Isolierung) sein.
• Ein Spartransformator ist eine einzelne, angezapfte Induktorspule, die verwendet wird, um die Spannung wie ein Transformator zu erhöhen oder zu senken, jedoch ohne elektrische Isolierung bereitzustellen.
• Eine Variation ist ein variabler Spartransformator.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt Autotransformatoren