Le courant alternatif (AC) dans la plupart des appareils de votre maison ne peut provenir que de lignes électriques qui envoient du courant continu (DC) via l'utilisation d'un transformateur. A travers tous les différents types de courant qui peuvent circuler dans un circuit, il est utile d'avoir le pouvoir de contrôler ces phénomènes électriques. Pour toutes leurs utilisations dans la modification de la tension des circuits, les transformateurs dépendent fortement de leur rapport de tours.
Calcul du rapport de tours du transformateur
Un transformateur tourne le rapportest la division du nombre de spires de l'enroulement primaire par le nombre de spires de l'enroulement secondaire par l'équation
T_R=\frac{N_P}{N_S}
Ce rapport doit également être égal à la tension de l'enroulement primaire divisée par la tension de l'enroulement secondaire, telle qu'elle est donnée parVp/Vs. L'enroulement primaire fait référence à l'inducteur alimenté, un élément de circuit qui induit un champ magnétique en réponse au flux de charge, du transformateur, et le secondaire est le non alimenté inducteur.
Ces rapports sont vrais en supposant que l'angle de phase de l'enroulement primaire est égal aux angles de phase du secondaire par leéquationΦP = ΦS.Cet angle de phase primaire et secondaire décrit comment le courant, qui alterne entre direct et sens inverses dans les enroulements primaire et secondaire du transformateur, sont synchronisés avec un une autre.
Pour les sources de tension alternative, telles qu'utilisées avec les transformateurs, la forme d'onde entrante est sinusoïdale, la forme qu'une onde sinusoïdale produit. Le rapport de transformation du transformateur vous indique de combien la tension change à travers le transformateur lorsque le courant passe des enroulements primaires aux enroulements secondaires.
Veuillez également noter que le mot « ratio » dans ces formules fait référence à unfraction,pas un rapport réel. La fraction de 1/4 est différente du rapport 1:4. Alors que 1/4 est une partie d'un tout divisé en quatre parties égales, le rapport 1:4 représente que, pour l'une de quelque chose, il y a quatre de quelque chose d'autre. Le "rapport" dans le rapport de transformation du transformateur est une fraction, pas un rapport, dans la formule du rapport du transformateur.
Le rapport de transformation du transformateur révèle que la différence fractionnaire que prend la tension en fonction du nombre de bobines enroulées autour des parties primaire et secondaire du transformateur. Un transformateur avec cinq bobines primaires et 10 bobines secondaires coupera une source de tension de moitié comme indiqué par 5/10 ou 1/2.
Que la tension augmente ou diminue en raison de ces bobines détermine s'il s'agit d'un transformateur élévateur ou d'un transformateur abaisseur par la formule du rapport de transformateur. Un transformateur qui n'augmente ni ne diminue la tension est un "transformateur d'impédance" qui peut soit mesurer l'impédance, l'opposition d'un circuit au courant, ou simplement indiquer des coupures entre différents circuits.
La construction d'un transformateur
Les composants de base d'un transformateur sont les deux bobines, primaire et secondaire, qui s'enroulent autour d'un noyau de fer. Le noyau ferromagnétique, ou un noyau constitué d'un aimant permanent, d'un transformateur utilise également de fines tranches isolées électriquement afin que ces surfaces peuvent diminuer la résistance du courant qui passe des bobines primaires aux bobines secondaires du transformateur.
La construction d'un transformateur sera généralement conçue pour perdre le moins d'énergie possible. Parce que tout le flux magnétique des bobines primaires ne passe pas au secondaire, il y aura une certaine perte en pratique. Les transformateurs perdront également de l'énergie en raison decourants de Foucault, courant électrique localisé provoqué par des modifications du champ magnétique dans les circuits électriques.
Les transformateurs tirent leur nom du fait qu'ils utilisent cette configuration d'un noyau magnétisant avec des enroulements sur deux parties distinctes de celui-ci pour transformer l'énergie électrique en énergie magnétique grâce à la magnétisation du noyau du courant à travers le primaire enroulements.
Ensuite, le noyau magnétique induit un courant dans les enroulements secondaires, qui reconvertit l'énergie magnétique en énergie électrique. Cela signifie que les transformateurs fonctionnent toujours sur une source de tension alternative entrante, qui bascule entre les sens direct et inverse du courant à intervalles réguliers.
Types d'effets de transformateur
Outre la formule de tension ou de nombre de bobines, vous pouvez étudier les transformateurs pour en savoir plus sur la nature des différents types de tensions, induction électromagnétique, champs magnétiques, flux magnétique et autres propriétés résultant de la construction d'un transformateur.
Contrairement à une source de tension qui envoie du courant dans un sens, unsource de tension alternativeenvoyé à travers la bobine primaire créera son propre champ magnétique. Ce phénomène est connu sous le nom d'inductance mutuelle.
L'intensité du champ magnétique augmenterait jusqu'à sa valeur maximale, qui est égale à la différence de flux magnétique divisée par une période de temps,dΦ/dt. Gardez à l'esprit, dans ce cas,Φest utilisé pour indiquer le flux magnétique, pas l'angle de phase. Ces lignes de champ magnétique sont tirées vers l'extérieur de l'électro-aimant. Les ingénieurs construisant des transformateurs prennent également en compte la liaison de flux, qui est le produit du flux magnétiqueΦet le nombre de bobines dans le filNcausé par le champ magnétique passant d'une bobine à l'autre.
L'équation générale du flux magnétique est
\Phi = BA\cos{\theta}
pour une surface traversée par le champUNEdans M2, champ magnétiqueBen Tesla etθcomme l'angle entre un vecteur perpendiculaire à la zone et le champ magnétique. Pour le cas simple des bobines enroulées autour d'un aimant, le flux est donné par
\Phi = NBA
pour nombre de bobinesN, champ magnétiqueBet sur une certaine zoneUNEd'une surface parallèle à l'aimant. Cependant, pour un transformateur, la liaison de flux fait que le flux magnétique dans l'enroulement primaire est égal à celui de l'enroulement secondaire.
Selonla loi de Faraday,vous pouvez calculer la tension induite dans les enroulements primaire ou secondaire du transformateur en calculantN x dΦ/dt. Cela explique également pourquoi le rapport de transformation du transformateur de la tension d'une partie du transformateur à l'autre est égal au nombre de bobines de l'une à l'autre.
Si vous deviez comparer lesN x dΦ/dtd'une partie à l'autre, ledΦ/dts'annulerait en raison du fait que les deux parties ont le même flux magnétique. Enfin, vous pouvez calculer les ampères-tours d'un transformateur comme le produit du courant par le nombre de bobines comme méthode de mesure de la force magnétisante de la bobine
Transformateurs en pratique
Les réseaux de distribution d'électricité envoient l'électricité des centrales électriques aux bâtiments et aux maisons. Ces lignes électriques commencent à la centrale où un générateur électrique crée de l'énergie électrique à partir d'une source. Cela pourrait être un barrage hydroélectrique qui exploite la puissance de l'eau ou une turbine à gaz qui utilise la combustion pour créer de l'énergie mécanique à partir du gaz naturel et la convertir en électricité. Cette électricité est, malheureusement, produite commeTension continuequi doit être converti en tension alternative pour la plupart des appareils ménagers.
Les transformateurs rendent cette électricité utilisable en créant des alimentations en courant continu monophasées pour les ménages et les bâtiments à partir de la tension alternative oscillante entrante. Les transformateurs le long des réseaux de distribution d'électricité garantissent également que la tension est une quantité appropriée pour les systèmes électroniques et électriques de la maison. Les réseaux de distribution utilisent également des « bus » qui séparent la distribution dans plusieurs directions aux côtés de disjoncteurs pour maintenir les distributions distinctes les unes des autres.
Les ingénieurs expliquent souvent l'efficacité des transformateurs en utilisant l'équation simple de l'efficacité comme
\eta = \frac{P_O}{P_I}
Fou puissance de sortiePOet puissance d'entréePje. Basés sur la construction de conceptions de transformateurs, ces systèmes ne perdent pas d'énergie à cause du frottement ou de la résistance de l'air car les transformateurs n'impliquent pas de pièces mobiles.
Le courant magnétisant, la quantité de courant nécessaire pour magnétiser le noyau du transformateur, est généralement très faible par rapport au courant induit par la partie primaire d'un transformateur. Ces facteurs signifient que les transformateurs sont généralement très efficaces avec des rendements de 95 % et plus pour la plupart des conceptions modernes.
Si vous deviez appliquer une source de tension alternative à l'enroulement primaire d'un transformateur, le flux magnétique induit dans le noyau magnétique continuera à induire une tension alternative dans l'enroulement secondaire dans la même phase que la source Tension. Le flux magnétique dans le noyau reste cependant à 90° derrière l'angle de phase de la tension de source. Cela signifie que le courant de l'enroulement primaire, le courant magnétisant, est également en retard par rapport à la source de tension alternative.
Équation du transformateur dans l'inductance mutuelle
En plus du champ, du flux et de la tension, les transformateurs illustrent les phénomènes électromagnétiques de inductance qui donne plus de puissance aux enroulements primaires d'un transformateur lorsqu'il est connecté à un la fourniture.
Cela se produit en tant que réaction de l'enroulement primaire à une augmentation de la charge, quelque chose qui consomme de l'énergie, sur les enroulements secondaires. Si vous avez ajouté une charge aux enroulements secondaires par une méthode telle que l'augmentation de la résistance de ses fils, les enroulements primaires répondraient en tirant plus de courant de la source d'alimentation pour compenser cela diminuer.Inductance mutuelleest la charge que vous mettez sur le secondaire que vous pouvez utiliser pour calculer l'augmentation du courant à travers les enroulements primaires.
Si vous deviez écrire une équation de tension distincte pour les enroulements primaire et secondaire, vous pourriez décrire ce phénomène d'inductance mutuelle. Pour l'enroulement primaire,
V_P=I_PR_1+L_1\frac{\Delta I_P}{\Delta t}-M\frac{\Delta I_S}{\Delta t}
pour le courant à travers l'enroulement primairejeP, résistance de charge d'enroulement primaireR1, inductance mutuelleM, inductance d'enroulement primaireLje, enroulement secondairejeSet changer dans le tempsc'est. Le signe négatif devant l'inductance mutuelleMmontre que le courant de source subit immédiatement une chute de tension en raison de la charge sur l'enroulement secondaire, mais, en réponse, l'enroulement primaire augmente sa tension.
Cette équation suit les règles d'écriture des équations qui décrivent comment le courant et la tension diffèrent entre les éléments du circuit. Pour une boucle électrique fermée, vous pouvez écrire la somme de la tension à travers chaque composant égale à zéro pour montrer comment la tension chute à travers chaque élément du circuit.
Pour les enroulements primaires, vous écrivez cette équation pour tenir compte de la tension aux bornes des enroulements primaires eux-mêmes (jePR1), la tension due au courant induit du champ magnétiqueL1JeP/Δtet la tension due à l'effet de l'inductance mutuelle des enroulements secondairesM IS/Δt.
De même, vous pouvez écrire une équation qui décrit les chutes de tension à travers les enroulements secondaires comme
M\frac{\Delta I_P}{\Delta t}=I_SR_2+L_2\frac{\Delta I_S}{\Delta t}
Cette équation comprend le courant d'enroulement secondairejeS, inductance d'enroulement secondaireL2et la résistance de charge de l'enroulement secondaireR2. La résistance et l'inductance sont étiquetées avec un indice 1 ou 2 au lieu de P ou S, respectivement, car les résistances et les inductances sont souvent numérotées, non désignées par des lettres. Enfin, vous pouvez calculer l'inductance mutuelle des inducteurs directement comme
M=\sqrt{L_1L_2}