Ο μετασχηματιστής είναι συσκευή η οποία μεταφέρει ηλεκτρική ενέργεια μεταξύ δύο κυκλωμάτων, διαμέσου ηλεκτρικών αγωγών επαγωγικά συζευγμένων.
Ένας απλός μετασχηματιστής αποτελείται από δύο πηνία, όπου το ένα ονομάζεται πρωτεύον πηνίο και το άλλο δευτερεύον πηνίο. Στο πρωτεύον πηνίο οδηγείται η τάση που θέλουμε να μετασχηματίσουμε και στο δευτερεύον πηνίο λαμβάνουμε την επιθυμητή τάση. Ο σιδηροπυρήνας αποτελεί βασικό στοιχείο του μετασχηματιστή, καθώς αυξάνει την αυτεπαγωγή των πηνίων και κατά συνέπεια τον πολλαπλασιασμό της μαγνητικής ροής του πηνίου.
Ο μετασχηματιστής βασίζεται σε δύο αρχές:
1. ένα ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να παράγει ένα μαγνητικό πεδίο (ηλεκτρομαγνητισμός) και
2. ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο σε ένα τυλιγμένο σύρμα (τύλιγμα), επάγει διαφορά δυναμικού στα άκρα του τυλίγματος (ηλεκτρομαγνητική επαγωγή). Μεταβάλλοντας το ρεύμα στο πρωτεύον τύλιγμα, αλλάζει η ένταση του μαγνητικού του πεδίου. Εφόσον το μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο εκτείνεται και στο δευτερεύον τύλιγμα, επάγεται διαφορά δυναμικού στα άκρα του δευτερεύοντος.
Η τάση και το ρεύμα στο δευτερεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή εξαρτάται από το πάχος του σύρματος των πηνίων, τον αριθμό στροφών των πηνίων και το μέγεθος του σιδηροπυρήνα.
Αν το δευτερεύον είναι συνδεδεμένο σε φορτίο που επιτρέπει την ροή ρεύματος, τότε έχουμε μετάδοση ισχύος από το πρωτεύον κύκλωμα στο δευτερεύον κύκλωμα. Ιδανικά ο μετασχηματιστής έχει τέλεια αποδοτικότητα, δηλαδή όλη η εισερχόμενη ενέργεια μεταφέρεται από το πρωτεύον, μέσω του μαγνητικού πεδίου, στο δευτερεύον.
Η εξίσωση του ιδανικού μετασχηματιστή είναι:
όπου N ο αριθμός σπειρών.
Με κατάλληλη επιλογή του αριθμού των περιελίξεων, ένας μετασχηματιστής επιτρέπει την ανύψωση μιας εναλλασσόμενης τάσης (αν N2 > N1) ή τον υποβιβασμό της (αν N2 < N1). Όταν ένα από τα δύο κυκλώματα του μετασχηματιστή δεν διαρρέεται από ρεύμα, λέγεται ότι ο μετασχηματιστής λειτουργεί "εν κενώ".
Ο βαθμός απόδοσης του μετασχηματιστή εκφράζει τις απώλειες ενέργειας ενός μετασχηματιστή τροφοδοσίας και δίνεται από την σχέση:
η=P1/P2, όπου P1 είναι η ισχύς εισόδου του μετασχηματιστή και P2 η ισχύς εξόδου του. Σε έναν ιδανικό μετασχηματιστή θα έχουμε η=1 που σημαίνει ότι η ισχύς εξόδου είναι ίση με την ισχύ εξόδου. Κάτι τέτοιο πρακτικά δεν συμβαίνει λόγω των απωλειών του μετασχηματιστή.
Οι απώλειες του μετασχηματιστή είναι δυο ειδών:
α) απώλειες σιδήρου. Οφείλονται στη μαγνητική υστέρηση του σιδηροπυρήνα (ανάλογα με τη συχνότητα) και στα δινορεύματα που δημιουργούνται εξ’ επαγωγής γιατί ο πυρήνας αποτελείται από σίδηρο (αγώγιμο υλικό).
β) απώλειες χαλκού. Οφείλονται στο φαινόμενο Joule γιατί τα τυλίγματα από χαλκό παρουσιάζουν ωμική αντίσταση.
Ο θόρυβος των μετασχηματιστών οφείλεται στο φαινόμενο της μαγνητοσυστολής, δηλαδή στην μεταβολή των διαστάσεων των ελασμάτων του πυρήνα υπό την επίδραση του μαγνητικού πεδίου. Η βελτίωση της ποιότητας των ελασμάτων και η προσεκτική κατασκευή του πυρήνα μπορούν να μειώσουν τα επίπεδα θορύβου.
Τάση βραχυκύκλωσης
Τάση βραχυκύκλωσης Μ/Σ ονομάζουμε την τάση που πρέπει να εφαρμοσθεί στο πρωτεύον του, ώστε, με βραχυκυκλωμένο το δευτερεύον τύλιγμα, να έχουμε τα κανονικά ρεύματα φόρτισης, τόσο στο πρωτεύον όσο και στο δευτερεύον τύλιγμα του Μ/Σ. Η τάση βραχυκύκλωσης (Uβρ ή U1Κ) εκφράζεται σαν ποσοστό επί τοις εκατό της ονομαστικής τάσης του πρωτεύοντος του Μ/Σ, δηλ. είναι:
