انواع ترانسفورمرها و کاربرد آنها

ترانسفورمرها به صورت گسترده در حوزه‌ی تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی کاربرد دارند. ترانسفورمرها عناصری الکترومغناطیسی هستند که از قانون اصلی الکترومغناطیس ‌یعنی همان قانون فارادی پیروی می‌کنند. در مقاله‌ی قبلی در مورد ساختار ترانسفورمرها و عملکرد آنها به طور اجمالی توضیح دادیم. در این مقاله انواع مختلف ترانسفورمرها و کاربردهای آنها را بررسی خواهیم کرد. لازم به ذکر است با وجود اینکه تمام ترانسفورمرها از اصول ‌یکسانی پیروی می‌کنند اما ساختارهای متفاوتی دارند که در ادامه به آن خواهیم پرداخت.

• پیش نیاز مفید: ترانسفورماتور یا ترانس چیست؟

انواع مختلف ترانسفورمر بر حسب سطح ولتاژ

ترانسفورمرها می‌توانند ساختار گوناگونی داشته باشند. در ترانسفورمرها هیچ گونه اتصال الکتریکی بین طرف اولیه و ثانویه وجود ندارد به بیان دیگر هر ترانسفورمر دارای دو سیم‌پیچ مستقل می‌باشد که با عبور شار مغناطیسی، الکتریسته را از طرف اولیه به طرف ثانویه منتقل می‌کند.‌ یک ترانسفورمر می‌تواند چندین سیم‌پیچ در سمت اولیه و ثانویه داشته باشد. عموما سیم‌پیچ‌های طرف اولیه، به صورت سری به‌ یکدیگر متصل می‌شوند که به آن ترانسفورمر اتصال مرکزی می‌گویند. ساختار اتصال مرکزی می‌تواند در سمت سیم‌پیچ ثانویه نیز مشاهده گردد.

ساختار ترانسفورمرها می‌تواند به گونه‌ای باشد که سطح ولتاژ از سمت اولیه به ثانویه را تغییر دهند. متناسب با تغییری که در سطح ولتاژ به وجود می‌آید، ترانسفورمرها در سه دسته‌ی اصلی طبقه‌بندی می‌شوند: افزاینده، کاهنده و ایزوله. در ترانسفورمرهای ایزوله سطح ولتاژ در هر دو سمت اولیه و ثانویه‌ یکسان می‌باشد.

۱-ترانسفورمرهای کاهنده

ترانسفورمرهای کاهنده در دو حوزه‌ی تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی کاربرد دارد. در این نوع ترانسفورمرها سطح ولتاژ  با عبور از سمت اولیه به سمت ثانویه کاهش می‌یابد و میزان کاهش سطح آن متناسب با نسبت دورهای سیم‌پیچ اولیه به ثانویه می‌باشد. در ترانسفورمرهای کاهنده تعداد دورهای سیم‌پیچ اولیه بیشتر از سیم‌پیچ ثانویه است بنابراین همواره نسبت دورهای سیم‌پیچ اولیه به ثانویه عددی بزرگتر از ۱ می‌باشد.

در تجهیزات الکترونیکی بعضا ولتاژ‌های 24، 12، 9، 6، 5 و ۴۸ ولتی لازم است لذا برای تبدیل ولتاژ ۲۳۰ ولت AC برق شهر به سطح ولتاژ‌ مطلوب برای کاربردهای الکترونیکی از ترانسفورمرهای کاهنده بهره می‌برند. از این ترانسفورمر همچنین در بسیاری از کاربردهای دیگر همچون ابزار دقیق استفاده می‌شود.

در تجهیزات الکتریکی همچون سیستم توزیع الکتریکی (که در آن به منظور کاهش تلفات و مقرون به صرفه بودن انتقال توان در مسیرهای طولانی از ولتاژ‌های سطح بالا استفاده می‌شود) ترانسفورمرهای کاهنده نقش به سزایی ایفا می‌کنند. در این نوع کاربردها برای تبدیل ولتاژ سطح بالا به ولتاژ سطح پایین خط تغذیه از ترانسفورماتور کاهنده کمک می‌گیرند.

۲- ترانسفورمر افزاینده

عملکرد تراسفورمرهای افزاینده درست در مقابل ترانسفورمرهای کاهنده می‌باشد. سطح ولتاژ در عبور از سمت اولیه به ثانویه در ترانسفورمرهای افزاینده، بیشتر شده و میزان افزایش آن به نسبت دورهای سیم‌پیچ اولیه به ثانویه وابسته است. به بیان دیگر نسبت دورهای سیم‌پیچ اولیه به ثانویه در ترانسفورمرهای افزاینده همواره عددی کوچکتر از ۱ می‌باشد.

در الکترونیک ترانسفورمرهای افزاینده در لرزش‌گیرها (استابلایزرها)، ‌یکسوسازها و … کاربرد دارند و همانطور که گفته شد، در آن‌ها سطح ولتاژ‌ پایین به سطح ولتاژ‌ بالا تبدیل می‌شود.

همچنین ترانسفورمرهای افزاینده در سیستم توزیع توان الکتریکی کاربرد دارند. در تجهیزات وابسته به توزیع توان به سطح ولتاژ‌های بالایی نیاز است لذا قبل از این تجهیزات، معمولا از ترانسفورمرهای افزاینده استفاده می‌شود.

۳- ترانسفورمرهای ایزوله

ترانسفورمرهای ایزوله تاثیری بر سطح ولتاژ ندارند و سطح ولتاژ در این نوع ترانسفورمرها در هر دو سمت اولیه و ثانویه‌ یکسان است. به بیان دیگر نسبت دورهای سیم‌پیچ اولیه و ثانویه در این نوع ترانسفورمرها همواره برابر با ۱ بوده و در واقع تعداد دور آنها در هر دو طرف برابر است.

تراسفورمرهای ایزوله برای جداسازی قسمت اولیه و قسمت ثانویه به کار می‌روند. همانطور که پیشتر گفته شد هیچ‌گونه اتصال الکتریکی بین طرف اولیه و ثانویه وجود ندارد به این معنی که مانند ‌یک مانع عمل کرده و تنها شار مغناطیسی را از خود عبور می‌دهد. بنابراین برای افزایش امنیت مدارها و حذف نویز از سمت اولیه به ثانویه و بالعکس استفاده می‌شود.

انواع مختلف ترانسفورمر بر حسب جنس هسته

ترانسفورمرها با هدایت شار مغناطیسی از هسته خود، انرژی را از سمتی به سمت دیگر منتقل می‌کنند. مواد به کار رفته در هسته بر میزان چگالی شار عبوری موثر است. متناسب با جنس هسته‌ی به کار رفته در ترانسفورمرها، کاربردهای گوناگونی برای آنان در نظر گرفته می‌شود که در ادامه به آن خواهیم پرداخت.

۱-ترانسفورمر با هسته‌ی آهنی

ترانسفورمر با هسته‌ی آهنی از چندین صفحه‌ی آهنی نرم به عنوان مواد سازنده‌ی هسته بهره می‌گیرد. به دلیل ویژگی‌های مغناطیسی ممتاز آهن، در این نوع ترانسفورمرها شار به خوبی منتقل شده و بنابراین بازدهی ترانسفورمرهای با هسته‌ی آهنی بسیار بالاست.

بعد از پیچیده شدن سیم پیچ‌های اولیه و ثانویه، آن‌ها را در صفحات آهنی نرم قرار می‌دهند. صفحات آهنی نرم به کار برده شده در هسته، در اندازه‌ها و اشکال گوناگونی موجود است. متناسب با اندازه و شکل صفحات هسته، انواع مختلفی از ترانسفورمرها تولید می‌شوند که از رایج‌ترین آنها می‌توان به اشکال I ،U ،L ،E و … اشاره کرد. صفحات آهنی نازک هستند لذا برای رسیدن به شکل نهایی لازم است چندین صفحه به‌ یکدیگر متصل شود. برای نمونه به منظور ساخت هسته‌ی E، چندین صفحه‌ی نازک آهنی به‌یکدیگر متصل می‌شوند تا شبیه به حرف E گردند.

ترانسفورمرهای با هسته‌ی آهنی کاربردهای وسیعی داشته و معمولا نسبت به انواع دیگر ترانسفرمرها بزرگ‌تر و سنگین‌تر می‌باشند.

۲-ترانسفورمر با هسته‌ی فریت

مواد فریت نفوذپذیری بالایی دارند لذا در این نوع ترانسفورمرها به عنوان هسته به کار می‌روند. ترانسفورمرهای با هسته‌ی فریت در فرکانس‌های بالا دارای تلفات اندک بوده و به همین دلیل در تجهیزات فرکانس بالا مانند منبع توان چند حالته SMPS، تجهیزات مربوط به RF و … مورد توجه قرار گرفته است.

• مقاله مفید مرتبط: سلف‌های RF

شکل و اندازه‌ی ترانسفورمرهای با هسته‌ی فریت متناسب با نوع کاربرد متفاوت است و بیشتر به شکل E مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین لازم به ذکر است که از این نوع ترانسفورمر در دستگاه‌های الکترونیکی بیشتر از دستگاه‌های الکتریکی بهره می‌برند.

۳-ترانسفورمر با هسته‌ی توروئیدی

ترانسفورمرها با هسته‌ی توروئیدی را از هسته‌های با جنس متفاوت مانند آهن و فریت و به شکل‌های هندسی توروئیدی می‌سازند. توروئیدها به شکل حلقه و ‌یا دونات بوده و در کاربردهایی که نیاز به بازدهی بسیار بالایی دارند، استفاده می‌شوند. به دلیل شکل حلقه مانند این نوع ترانسفورمرها، میزان اندوکتانس نشتی بسیار کم بوده و در نتیجه فاکتور Q بالاست. همچنین در این نوع ترانسفورمرها سیم‌پیچ‌ها معمولا کوتاه‌تر از نمونه‌های قدیمی‌ بوده و نیز وزن کمتری دارند.

۴- ترانسفورمر با هسته‌ی هوا

ترانسفورمر با هسته‌ی هوا از هیچگونه ماده‌ی فیزیکی به عنوان هسته استفاده نمی‌کند. انتقال شار در این نوع ترانسفورمر کاملا از طریق هوا صورت می‌گیرد.

در ترانسفورمرهای با هسته‌ی هوا سیم‌پیچ اولیه به جریان متغیر متصل شده که منجر به تولید میدان مغناطیسی در اطراف آن می‌شود. زمانی که سیم‌پیچ ثانویه در معرض میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، طبق قانون فارادی میدان مغناطیسی در سیم‌پیچ ثانویه نیز القا شده و توان به بار در طرف ثانویه می‌رسد.

ترانسفورمرها با هسته‌ی هوا در مقایسه با ترانسفورمرها با هسته‌ی فیزیکی نظیر آهن و فریت، اندوکتانس متقابل کمتری دارند.

از این نوع ترانسفورمرها در تجهیزات مربوط به رادیو فرکانس‌ها بهره می‌برند. لازم به ذکر است این ترانسفورمرها به دلیل عدم دارا بودن هسته‌ی فیزیکی، نسبت به سایر ترانسفورمرها سبک‌تر می‌باشند. همچنین ترانسفورمرهای با هسته‌ی هوا در ساخت شارژرهای بیسیم نیز کاربرد دارند به طوری که سیم‌پیچ اولیه در سمت شارژر نصب شده و سیم‌پیچ ثانویه در دستگاه مورد نظر برای شارژ شدن قرار می‌گیرد.

انواع ترانسفورمرها برحسب نوع پیچیده شدن سیم‌ها در سیم پیچ

ترانسفورمرها بر مبنای طرز پیچیده شدن سیم‌هایشان نیز طبقه‌بندی می‌شوند. ‌یکی از محبوب‌ترین نوع این ترانسفورمرها، ترانسفورمر سیم‌پیچی خودکار می‌باشد.

ترانسفورمر با سیم پیچی خودکار

تا اینجا سیم‌پیچی سمت اولیه و ثانویه ثابت بود اما در ترانسفورمرهای با سیم‌پیچی خودکار، سمت اولیه و ثانویه می‌توانند به صورت سری متصل شوند و نقطه‌ی اتصال مرکزی آن‌ها متغیر باشد. متناسب با محل قرارگیری نقطه‌ی اتصال مرکزی ولتاژ سمت ثانویه متفاوت خواهد بود.

این سیم‌پیچی شامل دو قسمت اولیه و ثانویه می‌باشد. نرخ دورهای اولیه و ثانویه با محل قرارگیری نقطه‌ی اتصال مرکزی تعیین شده و در واقع ولتاژ خروجی به آن وابسته است.

از این ترانسفورماتور بیشتر در تولید ولتاژ AC از‌یک ورودی AC (در کاربرد VARIAC) استفاده می‌شود. همچنین از این ترانسفورمر در انتقال توان و سیستم توزیع، زمانی که خطوط ولتاژ بالا نیاز به تغییر مکرر دارند، بهره می‌برند.

انواع ترانسفورمرها برحسب کاربرد

ترانسفورمرهای متفاوتی برای استفاده در حوزه‌های خاص طراحی و ساخته شده‌اند. در تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی، ترانسفورمرهای افزاینده و کاهنده‌ی گوناگونی وجود دارند که متناسب با نوع خاصی از کاربرد طراحی شده‌اند. بنابرین طبقه‌بندی دیگری ناظر به نوع کاربری به صورت زیر وجود دارد.

• تجهیزات حوزه‌ی توان
  1. ترانسفورمر توان
  2. ترانسفورمر اندازه‌گیری
  3. ترانسفورمر توزیع
• تجهیزات حوزه‌ی الکترونیک
  1. ترانسفورمر پالس
  2. ترانسفورمر خروجی صوتی

۱- ترانسفورمرهای به کار برده شده در تجهیزات حوزه‌ی توان

در سیستم‌های الکتریکی، حوزه‌ی توان به معنی تولید، اندازه‌گیری و توزیع توان می‌باشد. در واقع ترانسفورمرها جزء اساسی در تضمین امنیت تبدیل توان و ارسال موفقیت‌آمیز آن به ایستگاه‌های کوچک و کاربر نهایی می‌باشد.

ترانسفورمرهای به کار برده شده در حوزه‌ی توان بیشتر در فضای باز و کمتر در محل زندگی قرار می‌گیرند.

ترانسفورمر توان

ترانسفورمرهای توان معمولا به لحاظ اندازه بزرگ بوده و برای انتقال توان به ایستگاه‌های کوچک و منابع برق عمومی ‌استفاده می‌شوند. این ترانسفورمرها مانند پلی بین ژنراتورها و شبکه‌ی توزیع اولیه عمل می‌کنند. متناسب با نرخ انتقال توان و مشخصات آن، ترانسفورمرهای توان به سه دسته‌ی کلی تقسیم می‌شوند. ترانسفورمرهای توان کم، ترانسفورمرهای توان متوسط و ترانسفورمرهای توان بالا.

نرخ انتقال توان می‌توانند از ۳۰KVA تا ۷۰۰-۵۰۰ KVA متغیر باشد. در برخی از کاربردها این مقدار به 7000KVA‌ یا بیشتر هم می‌رسد. در ترانسفورمرهای متوسط، نرخ انتقال توان می‌تواند به بالای ۱۰۰-۵۰ MVA برسد این در حالیست که نرخ انتقال توان در ترانسفورمرهای بزرگ بیش از 100MVA می‌باشد.

به دلیل مقدار قابل توجه توان تولید شده توسط ترانسفورمرهای توان، ساختار این نوع ترانسفورمرها بسیار مهم می‌باشد. در ساخت این نوع ترانسفورمرها از لوازم جانبی عایق و سیستم خنک‌کننده استفاده می‌شود. ترانسفورمرهای توان رایج معمولا از روغن پر می‌شوند.

نکته‌ی مهم در ترانسفورمرهای توان تبدیل ولتاژ کم و جریان بالا به ولتاژ بالا و جریان کم می‌باشد. برای این منظور لازم است اتلاف توان در سیستم توزیع توان کاهش‌ یابد.

ملاک مهم بعدی برای ترانسفورمر توان، سطح دسترسی فاز می‌باشد. معمولا ترانسفورمرهای توان در سیستم‌های سه فاز کار می‌کنند اما در برخی موارد ترانسفورمرهای تک فاز با توان کم به کار برده می‌شوند. ترانسفورمرهای توان سه فاز گران‌تر و پربازده‌تر از ترانسفورمرهای توان تک‌فاز می‌باشند.

ترانسفورمر اندازه‌گیری

ترانسفورمرهای اندازه‌گیری به ترانسفورمر ابزار دقیق نیز شناخته می‌شوند. این ترانسفومرها برای ایزوله کردن توان اصلی و نیز تبدیل جریان و ولتاژ در‌یک نرخ پایین و ارسال آن به سمت ثانویه به کار می‌روند. با اندازه گیری خروجی، فاز، جریان و ولتاژ خط توان اصلی قابل محاسبه می‌باشد.

عکس بالا ساختار ترانسفورمر جریان را نمایش می‌دهد.

ترانسفورمر توزیع

این نوع ترانسفورمر در فاز آخر سیستم توزیع توان به کار می‌رود. ترانسفورمرهای توزیع از نوع ترانسفورمرهای کاهنده می‌باشند که ولتاژ سطح بالا را به ولتاژ مورد نیاز برای مصرف‌کننده ‌یعنی ولتاژ ۱۱۰ ولت‌ یا ۲۳۰ ولت تبدیل می‌کند که می‌تواند از نوع تک فاز ‌یا سه فاز باشد.

ترانسفورمرهای توزیع متناسب با ظرفیت و نرخ تبدیل ممکن است کوچک ‌یا بزرگ باشند.

ترانسفورمرهای توزیع برحسب نوع عایق به کار برده شده به انواع مختلفی تقسیم‌بندی می‌شوند. که ممکن است از نوع خشک و ‌یا از نوع غوطه‌ور در مایع باشد. برای هسته‌ی این ترانسفورمر معمولا از صفحات با روکش استیل و به شکل C استفاده می‌کنند.

ترانسفورمر توزیع همچنین بر مبنای مکان مورد استفاده به چند دسته تقسیم می‌شوند. ترانسفورمر می‌تواند در ‌یک تک‌قطبی قرار بگیرد در این صورت به آن ترانسفورمر توزیع نصب شده بر قطب می‌گویند. این ترانسفورمر همچنین می‌تواند در داخل محفظه‌ای در زیر زمین قرار بگیرد و در لایه‌ی بتنی‌ یا در داخل ‌یک جعبه‌ی استیل محصور شده نصب گردد.

به طور کلی ترانسفورمرهای توزیع نرخ کمتر از ۲۰۰KVA دارند.

۲-ترانسفورمرهای به کار برده شده در حوزه‌ی تجهیزات الکترونیکی

در الکترونیک ترانسفورمرهای بسیار کوچک مینیاتوری متنوعی به کار می‌روند که می‌توانند بر PCB نصب شوند و ‌یا در داخل محفظه‌ی کوچک قرار بگیرند.

ترانسفورمر پالس

ترانسفورمرهای پالس از نوع ترانسفورمرهای نصب شده بر PCB هستند که پالس‌های الکتریکی در دامنه‌ی ثابت تولید می‌کنند. این ترانسفورمر در مدارهای دیجیتالی گوناگون که در محیط ایزوله نیاز به پالس ژنراتور دارد  به کار برده می‌شوند. بنابرین ترانسفورمرهای پالس سمت اولیه و ثانویه را ایزوله کرده و پالس را از سمت اولیه به مدار ثانویه که معمولا گیت منطقی و ‌یا راه‌انداز می‌باشد منتقل می‌کند.

ترانسفورمرهای ساخته شده برای عملکرد صحیح به پوشش گالوانیکی برای ایزوله کردن و کاهش نشتی و خازن‌های پارازیتی نیاز دارند.

ترانسفورمرهای خروجی صدا

ترانسفورمر صدا ‌یکی دیگر از ترانسفورمرهای رایج به کار برده شده در حوزه‌ی الکترونیک می‌باشند. این ترانسفورمر در تجهیزات صوتی که به تطابق امپدانسی نیاز دارند استفاده می‌شوند. ترانسفورمر صدا مشابه روندی که در بلندگوی صدا رخ می‌دهد، مدار تقویت‌کننده و بارها را تعدیل می‌کند. ترانسفورمرهای صدا می‌توانند دارای چندین سیم‌پیچ اولیه و ثانویه باشند که به صورت متمرکز و ‌یا متصل به مرکز قرار می‌گیرند.

انواع مختلفی از ترانسفورمرها با کاربرد عام و خاص طراحی و ساخته شده‌اند که به برخی از آن‌ها در این مقاله پرداخته شد.

• منبع: ترجمه از سایت circuitdigest.com

اگر مطب آموزشی انواع ترانسفورمرها و کاربرد آنها براتون مفید واقع شده ما را نیز دعا کنید و اگر خواستین می‌توانید از محتوا‌ی رایگان آموزشی حمایت مالی کنید. همچنین لطفا نظرات، پیشنهادات و درخواست‌های خود را در کامنت‌ها ⇓ بنویسید.

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.