Laagspanningstransformatoren

Een transformator is een elektrisch apparaat dat is ontworpen om wisselstroom van de ene spanning in een andere om te zetten. Een laagspanningstransformator zet de voedingsspanning om in een lagere spanning, gewoonlijk 12-15 volt. De efficiëntie van deze spanningsomzetting bepaalt hoe goed de transformator de uitgangsspanning regelt en hoeveel energie daarbij wordt verbruikt. Deze transformator wordt gebruikt in diverse toepassingen zoals verlichtingssystemen zoals buitenverlichting, en gewone huishoudelijke apparaten. Dit artikel bespreekt het spanningsbereik van een laagspanningstransformator, de constructie, de werking, de toepassingen en de typische manieren om een transformatorstoring op te sporen.

Inhoudsopgave

• Wat is een laagspanningstransformator
• Het doel van een laagspanningstransformator
• Werkingsprincipe
• Typen laagspanningstransformatoren
• Hoe test je een laagspanningstransformator met een multimeter
• Installatie
• Toepassingen
• FAQs

Wat is een laagspanningstransformator

Een transformator is een werktuig voor zowel grootschalige elektriciteitscentrales en eenvoudige stroomkringen in huis. Een hoogspanningstransformator wordt gebruikt in elektriciteitscentrales en elektrische onderstations. Een laagspanningstransformator verlaagt de ingangsspanning tot een lage uitgangsspanning. Een transformator in koelkasten en wasmachines die op hoogspanning werken, verlaagt de spanning gewoonlijk tot ongeveer 12 volt en wordt daarom gecategoriseerd als een laagspanningstransformator. Het belangrijkste doel van een laagspanningstransformator is het risico van elektrische schokken en kortsluiting voor de gebruiker te verminderen, aangezien deze transformatoren worden gebruikt in gewone huishoudelijke toepassingen.

ANSI norm C84.1-1989 verdeelt de bedrijfsspanning in de volgende categorieën:

• Laag: < 600V
• Medium: 600V - 69kV
• Hoog: 69kV - 230kV
• Extra hoog: 230kV - 1100kV
• Ultra-hoog: 1100kV

Afhankelijk van de bedrijfsspanning valt een transformator in één van de vijf hierboven genoemde categorieën. Zo is bijvoorbeeld een 12,8 kV tot 128 kV step-up transformator een hoogspanningstransformator, en een 230V tot 14V step-down transformator een laagspanningstransformator.

Het doel van een laagspanningstransformator

De netspanning (gewoonlijk 120 volt in de VS en 230 volt in landen in Europa) levert bij rechtstreeks gebruik gevaar voor elektrocutie op voor de gebruiker. Een laagspanningstransformator verlaagt de ingangsspanning tot een aanzienlijk lage waarde en creëert zo een veiliger omgeving voor de gebruiker in commerciële en residentiële gebouwen. De normale spanningswaarde die door een laagspanningstransformator wordt geproduceerd is 12-24 volt, hetgeen onder normale omstandigheden geen warmte genereert. Deze lage spanningsvoorwaarden zijn veilig genoeg om iemand in staat te stellen een gloeilamp te installeren, zelfs wanneer de stroom is ingeschakeld.

Werkingsprincipe

Een laagspanningstransformator werkt volgens het principe van inductie, dat inhoudt dat een stroomvoerende geleider een magnetisch veld om zich heen veroorzaakt en omgekeerd. Aangezien een transformator met een laag vermogen de ingangsspanning omzet in een aanzienlijk lage waarde, is het aantal windingen in de secundaire spoel veel kleiner dan dat in de primaire spoel.

Een laagspanningstransformator bestaat uit twee stel draden (zie figuur 2):

• Primaire spoel (A): verzamelt vermogen
• Secundaire wikkeling (C): levert stroom

De primaire en secundaire spoelen zijn samen gewikkeld op een magnetische ijzeren circuitkern, maar deze spoelen maken geen contact met elkaar, zoals te zien is in figuur 2. De kern is gemaakt van een zacht magnetisch materiaal dat bestaat uit aan elkaar gekoppelde laminaten (figuur 2 met opschrift C) om het kernverlies te helpen beperken. Kernverlies is het energieverlies binnen de kern veroorzaakt door een wisselende magnetische flux. Een onstabiel magnetisch veld vernietigt uiteindelijk de werking van het kernmateriaal.

Wanneer de primaire spoel (figuur 2 A) op een stroombron wordt aangesloten, loopt er stroom door de spoel en wordt er een magnetisch veld geïnduceerd. Een deel van dit magnetische veld verbindt zich met de secundaire wikkelingen (Afbeelding 2 met label C) door wederzijdse inductie, waardoor een stroom en spanning wordt geproduceerd aan de secundaire zijde (belasting). De aan de belastingszijde geproduceerde spanning is evenredig met het aantal windingen in de secundaire spoel ten opzichte van dat in de primaire spoel. De spanningstransformatie wordt gegeven door,

V1/V2=N1/N2

• V1: Spanning op de primaire spoel van de transformator
• V2: Spanning geproduceerd op de secundaire (belasting) spoel van de transformator
• N1: Aantal windingen in de primaire spoel
• N2: Aantal windingen in de secundaire spoel

Aangezien een laagspanningstransformator aanzienlijk minder spanning produceert aan de belastingszijde, is het aantal windingen in de secundaire spoel kleiner dan dat in de primaire. Om bijvoorbeeld een wisselstroomnet van 120 V om te zetten in 12 V, moet het aantal windingen in de primaire spoel tienmaal zo groot zijn als in de secundaire spoel van de transformator.

Opmerking:De spanning en frequentie van de hoofdvoeding verschillen van land tot land. Landen als de VS gebruiken een netvoeding van 120 volt bij 60 Hz, terwijl landen in Europa zoals het VK, Nederland en Duitsland werken met 230 volt en 50 Hz. Zie de volledige lijst van landen met de bijbehorende netspanning en bedrijfsfrequenties voor meer details.

Typen laagspanningstransformatoren

Laagspanningstransformatoren worden in grote lijnen ingedeeld in magnetische en elektronische types.

Magnetische laagspanningstransformatoren (MLV)

De magnetische laagspanningstransformator is het meest gebruikte laagspanningstransformatortype dat gebruik maakt van twee spoelen om de netvoedingsspanning te verlagen tot een aanzienlijk lage waarde. De primaire spoel staat onder netspanning (gewoonlijk 120 volt in de VS en 230 volt in Europa). De stroom in de primaire spoel induceert een magnetisch veld in de secundaire spoel.

Magnetische laagspanningstransformatoren worden weer onderverdeeld in stapel-/lamellen- en ringkerntypen:

• Stapel- of gelamineerde transformatoren: Stapel/gelamineerde transformatoren hebben met koperdraad omwikkelde platen die aan elkaar zijn gelamineerd om een kern te vormen (zie figuur 2). Deze transformatoren hebben een lange levensduur, ongeveer 15-20 jaar, maar ze zijn lawaaierig en werken slechts met een rendement van 80-85%.
• Toroïdale transformatoren: In een ringkerntransformator zijn de primaire en secundaire spoelen gewikkeld op een ringkern, zoals afgebeeld in figuur 4. Het unieke en compacte ontwerp van deze transformator maakt kortere spoelen mogelijk, waardoor de wikkelverliezen worden beperkt en het totale rendement wordt verbeterd. Deze transformatoren hebben een rendement van 90-95%, een levensduur van 20-25 jaar en een stille werking. Maar omdat het moeilijk is de geleiders in de ringkern te wikkelen, zijn ze duur. Deze transformatoren zijn ook beperkt tot eenfasetoepassingen en hebben een hogere inschakelstroom.

Voordelen van magnetische laagspanningstransformatoren

• Energie-efficiëntie (B):
• Lange levensduur van meer dan 15 jaar
• Stille werking

Nadelen van magnetische laagspanningstransformatoren

• Enorme afmetingen (in het geval van gelamineerde transformatoren)
• Duur

Elektronische laagspanningstransformatoren (ELV)

Elektronische laagspanningstransformatoren hebben een complexer intern systeem dat bestaat uit schakelingen gekoppeld aan een omvormer om dezelfde functionaliteit te bereiken als magnetische laagspanningstransformatoren. De omvormer verhoogt de werkfrequentie van ~50-60Hz tot 20kHz of hoger. De hoge frequentie maakt het gebruik van een miniatuurkern mogelijk, waardoor de transformator licht en compact kan zijn. Deze transformatoren worden aanbevolen voor het verlagen van de spanning voor toepassingen binnenshuis waar ruimte een belangrijk punt van zorg is.

Voordelen van elektronische laagspanningstransformatoren

• Compact formaat
• Minder duur

Nadelen van elektronische laagspanningstransformatoren

• Hoogfrequente stroom is mogelijk niet compatibel met LED circuits
• Kortere levensduur van ongeveer 5-6 jaar
• Luidruchtig en hittegevoelig

Hoe test je een laagspanningstransformator met een multimeter

Symptomen van een defecte transformator

Controleer het uiterlijk van de laag-vermogen transformator op de volgende afwijkingen:

• Kapotte spoelen
• Verroeste silicium staalplaat
• Brandplekken op isolatiemateriaal
• Een losse bevestigingsschroef van de ijzeren kern
• Blootliggende wikkelspoelen

Ook kan een multimeter worden gebruikt om een transformator met laag vermogen te controleren op eventuele storingen.

Gebruik van een multimeter om de nullaststroom van een laagspanningstransformator te controleren

De nullaststroom is de stroom die door de primaire spoel van een praktische transformator vloeit wanneer de secundaire zijde open blijft (waardoor een "nullast"-toestand wordt gecreëerd). De vollaststroom van een transformator is de maximaal toelaatbare stroom naar de primaire en secundaire spoelen, en de waarde wordt gewoonlijk gebruikt voor het ontwerp van het beveiligingssysteem van de transformator. Voer de volgende stappen uit om de nullaststroom van een transformator te berekenen met behulp van een multimeter:

1. Open de secundaire spoelen van de transformator.
2. Stel de wijzerplaat van de multimeter in op het meten van stroom (AC).
3. Sluit de stekkers van de primaire spoel van de transistor aan op de hoofdvoeding.
4. Sluit de sondes van de multimeter aan op de uiteinden van de primaire spoel van de transformator.
5. Het display van de multimeter geeft de waarde van de nullaststroom aan. De waarde van de nullaststroom mag gewoonlijk niet groter zijn dan 10-15% van de vollaststroom van de transformator.

Voorbeeld

Een transformator wordt gewoonlijk gewaardeerd met zijn kVA-waarde (kilovolt-ampère). Een transformator van 5 kVA levert 5 kW vermogen aan de belasting.

De vollaststroom van een eenfasetransformator die werkt bij een primaire spanning van 230 V en een nominaal vermogen heeft van 25 kVA, is (25✕1000)/230 = 108,7 A. Om te bepalen of een transformator goed werkt, controleert u of de gemeten nullaststroom minder dan 15% van de vollaststroom bedraagt.

Een multimeter gebruiken om de continuïteit van een laagspanningstransformator te controleren

Een continuïteitstest kan worden uitgevoerd op een laagspanningstransformator om na te gaan of er een onderbreking is in de primaire of secundaire spoelen.

1. Koppel de transformator volledig los en stel de multimeter in op het meten van de weerstand (Ω).
2. Sluit de sondes van de multimeter aan op de uiteinden van de primaire spoel van de transformator en noteer de weerstand die op het display van de multimeter wordt aangegeven. Een zeer hoge of oneindige weerstand wijst op een onderbreking in de primaire zijde van de stroomkring.
3. Sluit de sondes van de multimeter aan op de uiteinden van de secundaire spoel van de transformator en noteer de weerstand die op het display van de multimeter wordt aangegeven. Een zeer hoge of oneindige weerstand wijst op een onderbreking in de secundaire zijde van het circuit.
4. Indien de primaire of secundaire spoelen een oneindige weerstand vertonen, moet de transformator worden vervangen.

Let op: Een digitale multimeter (DMM) geeft een oneindige weerstand weer door OL (open lijn) op het scherm.

Toepassingen

Typische toepassingen van een transformator met laag vermogen zijn de volgende:

1. Een transformator met laag vermogen kan worden gebruikt als laagspanningsverlichtingstransformator in landschapsverlichting die werkt op 12-24 volt. De transformator voor buitenverlichting verlaagt de lijnspanning van 110 volt of 230 volt tot een lage waarde die geschikt is voor het aansluiten van verlichting.
2. Gelijkrichters maken gebruik van transformatoren met een laag vermogen om de wisselspanning te verlagen tot een lage waarde die wordt omgezet in gelijkspanning met behulp van een combinatie van diode en condensator.
3. Gewone huishoudelijke apparaten zoals koelkasten, wasmachines, opladers voor mobiele telefoons, thermostaten en deurbellen maken gebruik van transformatoren met een laag vermogen die een zeer lage belastingsspanning produceren, waardoor de gebruiker wordt beschermd tegen elektrische schokken en kortsluiting.

FAQs

Hoeveel lampen kun je op een laagspanningstransformator aansluiten?

Dat hangt af van de maximale stroomafname van de transformator en het totale wattage van de lampen. Zo kan bijvoorbeeld een transformator van 300 watt worden aangesloten op 300 lampen van 1 watt of zes lampen van 50 watt. Sluit geen componenten aan op meer dan 80 procent van het nominale wattage van de transformator voor een goede werking.

Hoe lang gaan laagspanningstransformatoren mee?

Magnetische laagspanningstransformatoren hebben een zeer lange levensduur, ongeveer 15-20 jaar, terwijl elektronische laagspanningstransformatoren 5-6 jaar meegaan.