آشنایی با ترانسفورماتورها: از صنعت قدرت تا مدارات الکترونیک

ترانسفورماتور (Transformer) یکی از حیاتی‌ترین ابداعات بشر در مهندسی برق است. بدون این وسیله، انتقال انرژی الکتریکی در مسافت‌های طولانی غیرممکن بود و بسیاری از گجت‌های الکترونیکی امروزی کار نمی‌کردند. در این مقاله، به بررسی دقیق مشخصات و موارد استفاده ترانسفورماتور در صنایع مختلف و اصول طراحی آن‌ها می‌پردازیم.

ترانسفورماتور چیست و چگونه کار می‌کند؟

ترانسفورماتور وسیله‌ای است که انرژی الکتریکی را بین دو یا چند مدار از طریق القای الکترومغناطیسی منتقل می‌کند. وظیفه اصلی آن تغییر سطح ولتاژ و جریان است، در حالی که فرکانس ثابت می‌ماند.

ساختار اصلی: سلف‌ها و هسته

بخش اصلی هر ترانسفورماتور از دو یا چند سیم‌پیچ تشکیل شده است که در واقع نوعی سلف (Inductor) هستند. این سلف‌ها حول یک هسته مشترک پیچیده می‌شوند. وقتی جریان متناوب (AC) از سیم‌پیچ اولیه عبور می‌کند، یک میدان مغناطیسی متغیر ایجاد کرده و طبق قانون فارادی، ولتاژی را در سیم‌پیچ ثانویه القا می‌کند.

انواع ترانس‌ها بر اساس کاربرد

ترانسفورماتورها را می‌توان به دسته‌های مختلفی تقسیم کرد:

1. ترانس‌های قدرت و توزیع: برای انتقال برق در شبکه‌های سراسری.
2. ترانس‌های ایزولاسیون: جهت جدا کردن دو بخش مدار از نظر الکتریکی برای ایمنی.
3. ترانس‌های صوتی (Audio): برای تطبیق امپدانس در سیستم‌های صوتی.
4. ترانس‌های پالس: در مدارات دیجیتال و مخابراتی.

ترانس‌های کاهنده و افزاینده

این دسته‌بندی بر اساس نسبت دور سیم‌پیچ‌ها انجام می‌شود:

• ترانس افزاینده (Step-up): تعداد دور ثانویه بیشتر از اولیه است، در نتیجه ولتاژ خروجی افزایش و جریان کاهش می‌یابد (مثلاً در نیروگاه‌ها).
• ترانس کاهنده (Step-down): تعداد دور ثانویه کمتر از اولیه است، که باعث کاهش ولتاژ و افزایش جریان می‌شود (مثلاً شارژرها و آداپتورها).

ترانسفورماتور در منابع تغذیه: خطی در مقابل سوئیچینگ

یکی از مهم‌ترین موارد استفاده ترانسفورماتور در صنعت الکترونیک، در منابع تغذیه است.

۱. منابع تغذیه خطی (Linear Power Supply)

در این منابع از ترانس‌های فرکانس پایین (۵۰ یا ۶۰ هرتز) با هسته آهن استفاده می‌شود.

• مزایا: نویز بسیار کم، سادگی طراحی.
• معایب: وزن بسیار زیاد و راندمان پایین.

۲. منابع تغذیه سوئیچینگ (SMPS)

در اینجا از ترانس‌های با هسته فریت استفاده می‌شود که در فرکانس‌های بالا (کیلوهرتز تا مگاهرتز) کار می‌کنند.

• تفاوت اصلی: به دلیل فرکانس بالا، ابعاد ترانس در منابع سوئیچینگ بسیار کوچک‌تر و راندمان آن‌ها بسیار بالاتر از مدل‌های خطی است.

ترانس‌های با هسته فریت (Ferrite Core Transformers)

در فرکانس‌های بالا، هسته‌های آهنی معمولی دچار تلفات شدید (جریان گردابی) می‌شوند. به همین دلیل در الکترونیک مدرن، از ترانس‌های با هسته فریت استفاده می‌شود. فریت یک ترکیب سرامیکی از اکسید آهن و دیگر فلزات است که خاصیت مغناطیسی عالی و هدایت الکتریکی کمی دارد، که مانع از داغ شدن هسته در فرکانس‌های بالا می‌شود.

ترانسفورماتورهای حلقوی یا توروئیدال (Toroidal) به دلیل ساختار مهندسی خاص خود، سوگلی سیستم‌های صوتی حرفه‌ای، آمپلی‌فایرها و اسپیکرهای قدرتمند هستند.

در ادامه به بررسی دلیل این محبوبیت و تفاوت‌های ساختاری آن‌ها می‌پردازیم:

چرا در سیستم‌های صوتی از ترانس حلقوی استفاده می‌شود؟

علت اصلی انتخاب این نوع ترانس در تجهیزات صوتی، حساسیت بالای مدارات تقویت‌کننده به نویز است.

1. نشت مغناطیسی بسیار کم: در ترانس‌های EI (معمولی)، شار مغناطیسی از گوشه‌های هسته به بیرون نشت می‌کند که باعث ایجاد نویز “هوم” در اسپیکر می‌شود. در هسته‌های حلقوی، چون سیم‌پیچ تمام سطح هسته را می‌پوشاند، میدان مغناطیسی در داخل هسته محبوس می‌ماند.
2. راندمان بالاتر: به دلیل نبود فاصله هوایی (Air Gap) در هسته یکپارچه حلقوی، این ترانس‌ها راندمان بسیار بالاتری نسبت به مدل‌های تخت دارند.
3. ابعاد کوچک‌تر و وزن کمتر: برای تولید توان یکسان (مثلاً همان ۱۰۰ وات مورد نظر شما)، یک ترانس حلقوی حدود ۳۰ تا ۵۰ درصد سبک‌تر و کوچک‌تر از ترانس EI است.
4. دمای کاری پایین‌تر: به دلیل بازدهی بالا، تلفات گرمایی کمتری دارند که برای طول عمر قطعات الکترونیکی اطراف در داخل جعبه اسپیکر حیاتی است.

نکات مهم در استفاده از ترانس حلقوی در اسپیکرها

• سلف و فیلتر: با وجود نویز کم، طراحان سیستم‌های صوتی همچنان از سلف‌های فیلتر در مسیر تغذیه استفاده می‌کنند تا کوچک‌ترین ریپل باقی‌مانده را حذف کنند.
• نصب فیزیکی: هنگام نصب ترانس حلقوی با پیچ مرکزی، دقت کنید که پیچ و واشر فلزی هرگز نباید از بالا و پایین به شاسی دستگاه متصل شوند و یک “حلقه اتصال کوتاه” ایجاد کنند، زیرا این کار باعث سوختن آنی ترانس می‌شود.

محاسبات و فرمول‌های ساخت ترانس

برای طراحی و ساخت یک ترانسفورماتور، روابط ریاضی زیر کلیدی هستند:

۱. نسبت تبدیل ولتاژ

رابطه مستقیم بین تعداد دور سیم‌پیچ (N) و ولتاژ (V) وجود دارد:

(Vp)/(Vs) = (Np)/(Ns) = a

که در آن p نمایانگر اولیه و s نمایانگر ثانویه است.

۲. محاسبه توان

توان ظاهری ترانس بر حسب ولت-آمپر (VA) بیان می‌شود:

P = V * I

۳. فرمول سطح مقطع هسته (برای فرکانس ۵۰ هرتز)

یک فرمول تجربی برای تعیین سطح مقطع هسته (A بر حسب سانتی‌متر مربع) بر اساس توان خروجی:

(A = 1.2 * sqr(P}

جدول مقایسه ترانس هسته آهن و هسته فریت

جمع‌بندی

ترانسفورماتورها پل ارتباطی بین منابع انرژی و مصرف‌کننده‌ها هستند. از سلف‌های کوچک در مدارات RF گرفته تا ترانس‌های عظیم در نیروگاه‌ها، همگی از اصول یکسانی پیروی می‌کنند. شناخت تفاوت بین منابع تغذیه خطی و سوئیچینگ و انتخاب صحیح نوع هسته (آهن یا فریت)، کلید موفقیت در طراحی پروژه‌های الکترونیکی است.

برای محاسبه دقیق یک ترانسفورماتور کاهنده (فرکانس ۵۰ هرتز – هسته آهن)، فرض می‌کنیم قصد دارید یک ترانس ۱۰۰ وات با ولتاژ ورودی ۲۲۰ ولت و خروجی ۱۲ ولت طراحی کنید.

در اینجا گام‌به‌گام محاسبات را انجام می‌دهیم:

۱. محاسبه سطح مقطع هسته ترانس (A)

ابتدا باید اندازه هسته (بخش وسطی که سیم‌پیچ دور آن می‌پیچد) را مشخص کنیم:

بنابراین شما به هسته‌ای نیاز دارید که سطح مقطع ستون وسط آن حداقل 12 سانتی‌متر مربع باشد.

۲. محاسبه تعداد دور سیم پیچ به ازای هر ولت (TEV)

این عدد مشخص می‌کند که برای ایجاد هر ۱ ولت، چند دور سیم باید بپیچیم. برای هسته‌های معمولی آهن:

۳. محاسبه تعداد دور سیم‌پیچ‌ها (N)

حالا تعداد دور هر دو سمت را محاسبه می‌کنیم:

• تعداد دور اولیه (Np): (دور) 220 * 3.75 = 825
• تعداد دور ثانویه (Ns): (با احتساب ۵٪ تلفات برای زیر بار) (12* 3.75) * 1.05= 47 (دور)

۴. محاسبه جریان و انتخاب نمره سیم (D)

برای اینکه سیم‌ها تحت بار داغ نشوند، باید قطر مناسب را انتخاب کنیم:

• جریان اولیه: (Ip = 100/220 = 0.45 (A
• جریان ثانویه: Is = 100/12 = 8.33 (A)

طبق استاندارد چگالی جریان، قطر سیم (D) به میلیمتر از فرمول زیر به دست می‌آید:

D = 0.7 * sqr(I)

• قطر سیم اولیه و ثانویه:

خلاصه مشخصات ساخت برای ۱۰۰ وات (۱۲ ولت):

برای ساخت یک ترانسفورماتور کاهنده با توان ۱۰۰ وات (ورودی ۲۲۰ ولت و خروجی ۱۲ ولت)، مشخصات فنی نهایی که باید در هنگام خرید سیم و هسته مد نظر داشته باشید به شرح زیر است:

مشخصات فنی ساخت (خلاصه)

• توان نامی: ۱۰۰ ولت-آمپر (VA)
• ولتاژ ورودی: ۲۲۰ ولت (برق شهر)
• ولتاژ خروجی: ۱۲ ولت
• نوع هسته: آهن (EI) سیلیس‌دار

جدول ابعاد و سیم‌پیچی

نکات کلیدی در هنگام پیچیدن ترانس:

1. عایق‌بندی: حتماً بین لایه‌های سیم‌پیچ اولیه و ثانویه از چسب مخصوص (چسب کاغذ یا مایلار) استفاده کنید. این کار برای جلوگیری از جرقه زدن و سوختن ترانس ضروری است.
2. جهت پیچش: هر دو سیم‌پیچ را در یک جهت (مثلاً ساعت‌گرد) روی قرقره بپیچید.
3. سفت بودن سیم‌ها: سیم‌ها باید به صورت ردیفی و کاملاً سفت کنار هم قرار گیرند. لرزش سیم‌ها باعث ایجاد صدای وزوز (Hum) و تلفات حرارتی می‌شود.
4. تست نهایی: پس از اتمام کار، ابتدا مقاومت سیم‌پیچ‌ها را با مولتی‌متر چک کنید. سیم‌پیچ ثانویه باید مقاومتی بسیار نزدیک به صفر داشته باشد.

یادآوری: این محاسبات برای فرکانس ۵۰ هرتز (برق شهری) است. اگر قصد ساخت منبع تغذیه سوئیچینگ دارید، باید از هسته فریت و فرکانس‌های بالا استفاده کنید که محاسبات کاملاً متفاوتی دارد.

نکته سلفی: به یاد داشته باشید که این سیم‌پیچ‌ها در واقع دو سلف جفت‌شده هستند. اگر هسته را بردارید، ضریب خودالقایی (Inductance) به شدت کاهش یافته و ترانسفورماتور عملاً در فرکانس ۵۰ هرتز اتصال کوتاه خواهد شد.