Wat Zijn Step-up en Step-down transformatoren?

Transformatoren zijn statische toestellen die essentieel zijn voor de efficiënte overbrenging van elektrische stroom van het ene circuit naar het andere. Terwijl de stroom door een transformator gaat, wordt de spanning die aan de ingang binnenkomt gewijzigd om te voldoen aan de specifieke behoefte bij de uitgang. In een step-up transformator wordt het spanningsniveau aan de uitgang verhoogd, terwijl in een step-down transformator het spanningsniveau wordt verlaagd. In dit artikel worden de structuur en het gebruik van step-up- en step-downtransformatoren besproken, evenals enkele principes voor de transmissie van elektriciteit.

Inhoudsopgave

• Wat zijn step-up en step-down transformatoren?
• De werking van een transformator
• Step-up transformator werking
• Step-down transformator werking
• Omkeerbaarheid van transformatorwerking
• Toepassingen van step-up transformatoren
• Toepassingen van step-down transformatoren
• FAQs

Wat zijn step-up en step-down transformatoren?

Een step-up transformator verhoogt de ingangsspanning, en een step-down transformator verlaagt de ingangsspanning. Een hoge spanning is vereist voor een efficiënte stroomtransmissie, maar de stroom moet om veiligheidsredenen door de verbruikers bij een lagere spanning worden gebruikt. De overgang van laagspanning naar hoogspanning voor transmissie vereist een step-up transformator. In sommige landen zijn step-up transformatoren van onschatbare waarde. Het opwekkingsniveau in India is bijvoorbeeld 11 kV; daarom zijn step-up transformatoren nodig in de opwekkingsstations. Kortom, een step-up transformator verhoogt de spanning voor transmissiedoeleinden.

Step-down transformatoren zetten hoogspanning om in laagspanning. Dit maakt het vermogensniveau geschikt voor de eisen van elk apparaat dat is aangesloten op de stroomsystemen in huishoudens of bedrijven. Stroomcircuits voor woningen zijn 230V -110V, maar sommige functies vereisen slechts 16V. Er zijn dus step-down transformatoren nodig om de spanning te verlagen tot het lagere vermogensniveau.

Bovendien delen afzonderlijke circuits in elektrische systemen in woningen en bedrijven gewoonlijk dezelfde frequentie. Maar vaak verschillen de spanningsbehoeften. Daarom worden in het ontwerp van veel huishoudelijke apparaten kleinere step-up of step-down transformatoren opgenomen. Step up- en step down-transformatoren kunnen zowel eenfasige als driefasige transformatoren zijn, afhankelijk van het gebruikte type stroomvoorziening. Step up- en step down-transformatoren dienen verschillende doeleinden en worden ontworpen in vele configuraties, afhankelijk van de behoeften van elke specifieke situatie.

De werking van een transformator

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

• De primaire spoel (A): verzamelt vermogen
• Secundaire spoel (B): 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 magnetisch veld verbindt zich met de secundaire spoelen (figuur 2, label B) door wederzijdse inductie, waardoor een stroom en spanning aan de secundaire (belastings)zijde worden opgewekt. De aan de belastingszijde geproduceerde spanning is evenredig met het aantal windingen in de secundaire wikkeling ten opzichte van dat aan de primaire zijde. De spanningstransformatie wordt gegeven door,

V1 / V2 = N1 / N2 = I2 / I1

• 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
• I2: Stroom door de secundaire wikkelingen
• I1: Stroom door de primaire wikkelingen

Lees ons artikel over elektrische transformatoren voor meer details over de constructie en de verschillende manieren om een transformator aan te sluiten.

Step-up transformator werking

Een step-up transformator verhoogt de spanning op de secundaire wikkelingen ten opzichte van de primaire kant. Uit de vergelijking voor spanningstransformatie blijkt dat, wil V2 groter zijn dan V1, de waarde van N2 groter moet zijn dan N1 (zie figuur 3). Daarom, in een step-up transformator,

• N2 > N1
• V2 > V1
• I2 < I1

Een step-up transformator verlaagt altijd de stroom (terwijl hij de spanning verhoogt) aan de secundaire zijde ten opzichte van die aan de primaire zijde. Dit komt omdat het totale vermogen aan de primaire en secundaire zijde van de transformator gelijk is. De dikte van de transformatorspoelen hangt af van de capaciteit van de stroom die hij moet kunnen geleiden. In een step-up transformator voert de primaire zijde meer stroom; daarom wordt dikke geïsoleerde koperdraad gebruikt voor de primaire wikkeling en dunne geïsoleerde koperdraad voor de secundaire zijde. Een transformator wordt gewoonlijk gewaardeerd met het product van spanning en stroom als kVA (kilovolt-ampère). Lees ons artikel over transformator berekeningen en dimensionering voor meer details over het vermogen dat met een transformator samenhangt.

Voorbeeld

Als op een 1:10 transformator 10V op de primaire wikkeling wordt gezet,

• N1 = 1
• N2 = 10
• V1 = 10V
• Daarom is V2= (N2/N1) ✕ V1 = 100V

De spanning aan de secundaire zijde van de transformator is tienmaal die aan de primaire zijde.

Voordelen van de step-up transformator

• Gemakkelijk onderhoud
• Hoog rendement
• Snelle start
• Vermogenszender

Step-up transformator nadelen

• Vereist een koelsysteem
• Werkt alleen op wisselstroom (AC) signalen
• Enorme omvang

Step-down transformator werking

Een step-down transformator verlaagt de spanning op de secundaire wikkelingen ten opzichte van de primaire kant. Uit de vergelijking voor spanningstransformatie blijkt dat, wil V2 kleiner zijn dan V1, de waarde van N2 kleiner moet zijn dan N1. Daarom, in een step-down transformator,

• N2 < N1
• V2 < V1
• I2 > I1

Een step-down transformator verhoogt altijd de stroom (terwijl hij de spanning verlaagt) aan de secundaire zijde ten opzichte van die aan de primaire zijde. In een step-down transformator voert de secundaire zijde meer stroom; daarom wordt dikke geïsoleerde koperdraad gebruikt voor de secundaire wikkeling, en dunne geïsoleerde koperdraad voor de primaire zijde. Step-down transformatoren worden algemeen gebruikt in laagspanningstransformatoren voor straatverlichting.

Voorbeeld

Als op een 100:1 transformator 10V op de primaire wikkeling wordt gezet,

• N1 = 100
• N2 = 1
• V1 = 10V
• Daarom is V2= (N2/N1) ✕ V1 = 0,1V

De spanning aan de secundaire zijde van de transformator is 100 maal lager dan de spanning aan de primaire zijde.

Voordelen van de step-down transformator

• Hoge duurzaamheid en betrouwbaarheid
• Minder kosten
• Hoog rendement
• Biedt verschillende spanningsbronnen voor gangbare huishoudelijke toepassingen

Step-down transformator nadelen

• Vereist veel onderhoud
• Werkt alleen op wisselstroom

Omkeerbaarheid van transformatorwerking

Step-up en step-down functies kunnen worden uitgevoerd met dezelfde transformator. Het verschil in werking ligt in de wijze waarop de transformator op de stroomkring is aangesloten. Als de ingangsvoeding op de laagspanningswikkeling wordt gerealiseerd, functioneert de transformator als een step-up versie. Dezelfde transformator kan worden gebruikt als een step-down versie als hij wordt aangesloten op de hoogspanningswikkeling.

Toepassingen van step-up transformatoren

• Step-up transformatoren met wikkelingen aan de primaire zijde van dik geïsoleerd koperdraad die de spanning opvoeren tot 11000 Volt of meer zijn vereist voor gebruikers met speciale vermogensvereisten, zoals de werking van röntgenmachines, microgolven en krachtcentraletoepassingen.
• Step-up transformatoren worden gebruikt om elektrische energie te verdelen in transmissielijnen met een hoog vermogen.
• Deze transformatoren worden gebruikt om elektronische apparaten op te voeren.

Toepassingen van step-down transformatoren

Step-down transformatoren worden vaak gebruikt in:

• Gewone huishoudelijke apparatuur zoals CD spelers, televisie en deurbellen.
• Spanningsstabilisatoren
• Omvormers
• Stroomdistributienetwerken
• Opladers voor telefoons
• Transmissielijnen

FAQs

Wat is het belangrijkste wetenschappelijke principe achter de werking van een transformator?

Een transformator werkt op basis van wederzijdse inductie, wat inhoudt dat een stroomvoerende spoel een evenredig magnetisch veld produceert en omgekeerd.

Is er een ander type transformator nodig om het vermogen te verhogen of te verlagen?

Hetzelfde type transformator kan voor beide doeleinden worden gebruikt. De functie van een transformator hangt af van de manier waarop hij binnen een circuit is opgesteld.