Leitfaden für AC-DC-Transformatoren

Wechselstrom (AC) ändert regelmäßig seine Richtung und liefert in der Regel Strom für den Betrieb von Haushaltsgeräten und Industrieanlagen. Er ist effizient für die Fernübertragung, und dieser Strom trägt nicht zum Spannungsverlust bei. Für die meisten elektronischen Geräte stellt Wechselstrom jedoch keine gleichmäßige Stromversorgung dar. Daher ist es notwendig, Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) umzuwandeln. Um Wechselspannung in Gleichspannung umzuwandeln, wird ein Wechselstrom-Gleichstrom-Transformator benötigt.

Inhaltsübersicht

• Was ist ein Wechselstrom-Gleichstrom-Transformator?
• Entwurf eines AC/DC-Transformators
• Einweg-Gleichrichtung
• Vollweg-Gleichrichtung
• Wie man einen Transformator auswählt
• Faktoren, die bei der Auswahl eines Transformators zu berücksichtigen sind
• Anwendungen von AC-DC-Transformatoren
• Beschränkungen von AC/DC-Transformatoren
• FAQs

Was ist ein Wechselstrom-Gleichstrom-Transformator?

Ein Transformator ist ein Gerät, das elektrische Energie von einem Wechselstromkreis in einen anderen überträgt. Ein Transformator kann die Wechselspannung erhöhen (Step-up) oder verringern (Step-down) und nutzt das Prinzip der elektromagnetischen Induktion zur Verringerung oder Erhöhung der Wechselspannung. Transformatoren werden häufig bei Niederspannungsgeräten wie Türklingeln eingesetzt, um die Leistung in den Stromkreisen zu reduzieren.

Ein Transformator hat eine Primärwicklung (Abbildung 2 mit A bezeichnet), eine Sekundärwicklung (Abbildung 2 mit B bezeichnet) und einen Magnetkern (Abbildung 2 mit C bezeichnet). Wenn eine Wechselspannung an die Primärwicklung angelegt wird, fließt ein Strom durch die Wicklung und erzeugt einen magnetischen Fluss. Der Fluss wandert durch den Magnetkern und erreicht die Sekundärwicklung, wodurch auf der Sekundärseite ein Strom ausgelöst wird. Die Sekundärwicklung kann die Spannung gegenüber der Primärseite je nach Windungsverhältnis erhöhen oder verringern.

Ein Wechselstrom-Gleichstrom-Transformator ist ein Transformator, der an einen Wechselstrom-Gleichrichtungskreis angeschlossen ist. Eine Gleichrichterschaltung wandelt eine Wechselspannung in eine Gleichspannung um, nachdem ein Transformator die Wechselspannung herab- oder heraufgestuft hat. Die meisten Geräte - einschließlich Handys und Laptops - arbeiten mit Gleichstrom (DC); daher sind Gleichrichterschaltungen unerlässlich.

Entwurf eines AC/DC-Transformators

Die Wahl des richtigen Windungsverhältnisses ist der erste Schritt zur Konstruktion eines Wechselstrom-Gleichstrom-Transformators. Um das Windungsverhältnis zu berechnen, teilen Sie die Anzahl der Windungen der Sekundärwicklung durch die Anzahl der Windungen der Primärwicklung. Das Spannungsverhältnis und das Windungsverhältnis stehen in einem signifikanten Verhältnis zueinander.

primärwindungen/Sekundärwindungen = Primärspannung/Sekundärspannung

Auch die Eigenschaften des Transformators, wie Größe und Material, müssen berücksichtigt werden. Die Größe und das Material eines Transformators wirken sich erheblich auf die Strombelastbarkeit aus. Die Strombelastbarkeit ist der maximale Strom, den ein Transformator bei einer bestimmten Temperatur liefern kann. Die richtige Größe und das richtige Material sorgen dafür, dass der Transformator zuverlässig Energie in einen Stromkreis umwandeln kann. Lesen Sie unseren Artikel über Transformatorendimensionierung und -berechnung, um mehr über die Strom- und Leistungsverhältnisse in einem Transformator zu erfahren.

Die Konstruktion eines Wechselstrom-Gleichstrom-Transformators hängt stark von der Gleichrichterschaltung ab. Die Art der Gleichrichterschaltung bestimmt die Konstruktion eines Wechselstrom-Gleichstrom-Transformators. Es gibt zwei Arten von Gleichrichterschaltungen: Einweggleichrichtung und Vollweggleichrichtung.

Einweg-Gleichrichtung

Die einfachste Form eines Gleichrichters ist der Einweggleichrichter. Der Aufbau eines Einweggleichrichters ist einfach und besteht aus nur drei Komponenten: einer Diode, einem Transformator und einer ohmschen Last. Zur Erzeugung der erforderlichen Gleichspannung werden neben Transformatoren auch Einweggleichrichter eingesetzt.

Einweggleichrichter verwenden nur eine Diode zur Umwandlung von Wechselspannung (Abbildung 3, Kennzeichnung A) in Gleichspannung am Lastwiderstand (Abbildung 3, Kennzeichnung R). Die einzelne Diode (Abbildung 3, Kennzeichnung D) ist in Reihe mit der Sekundärwicklung des Transformators (Abbildung 3, Kennzeichnung B) geschaltet.

Die Diode wird in Durchlassrichtung vorgespannt (EIN-Zustand) und leitet Strom, wodurch der Stromfluss durch den Lastwiderstand eingeleitet wird. Eine Diode lässt den Strom nur in eine Richtung fließen. Während des negativen Zyklus der Eingangsspannung wird auf der Sekundärseite eine entsprechende negative Spannung induziert, und die Diode leitet nicht. Daher fließt während des negativen Zyklus der Eingangsspannung kein Strom durch den Ausgangswiderstand, da sich die Diode wie ein offener Stromkreis verhält. Daher gibt der Ausgang nur abwechselnd positive Zyklen aus.

Am Sekundärausgang formt ein Kondensator (Abbildung 3 mit der Bezeichnung C) die Wellenform auf die gewünschte Gleichspannung. Die Glättung der variablen Wellenform ist die größte Herausforderung bei der Verwendung von Einweggleichrichtern. Lesen Sie unseren Artikel über elektrische Transformatoren, um mehr über die Funktionsweise von Gleichrichterschaltungen zu erfahren.

Einweggleichrichter finden unter anderem in folgenden Bereichen Anwendung:

• Signal-Demodulation: Ein ursprüngliches Signal kann durch den Demodulationsprozess wiederhergestellt werden.
• Leistungsgleichrichtung: Einweggleichrichter können helfen, Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln.
• Signalspitzen-Detektor: Der Spitzenwert einer Wellenform kann mit einem einfachen Halbwellendetektor ermittelt werden.

Bei Einweggleichrichtern sind jedoch Leistungsverluste, niedrige Ausgangsspannungen und Welligkeit der Ausgangsspannung üblich.

Vollweg-Gleichrichtung

Vollweg-Gleichrichter sind die beste Option für die Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung. Ein Vollwellengleichrichter wandelt beide Hälften eines Wechselstromsignals in ein Gleichstromsignal um. Im Gegensatz zu den Einweggleichrichtern verwendet der Vollwellengleichrichter mehrere Dioden.

Es gibt zwei Arten von Vollwellengleichrichtern: Vollwellengleichrichter mit Mittelabgriff und Vollwellenbrückengleichrichter. Der Vollwellengleichrichter mit Mittelanzapfung besteht aus drei Komponenten: einem Transformator, zwei Dioden und einer ohmschen Last. Das Hauptmerkmal eines Gleichrichters mit Mittelanzapfung ist ein Draht, der mit der Mitte der Sekundärwicklung verbunden ist, wie in Abbildung 4 zu sehen. Während des positiven Halbzyklus der Eingangswellenform ist die Diode D1 in Durchlassrichtung vorgespannt, wodurch ein positiver Zyklus an der kapazitiven Last entsteht. Der Kondensator dient dazu, die pulsierende Ausgangswellenform zu glätten. Während des negativen Halbzyklus der Eingangswellenform ist die Diode D2 in Durchlassrichtung vorgespannt, wodurch ein positiver Zyklus an der kapazitiven Last entsteht.

Vollweg-Brückengleichrichter hingegen haben vier Dioden und eine ohmsche Last. Während des positiven Halbzyklus der Eingangsspannung sind die Dioden D2 und D3 in Durchlassrichtung vorgespannt, während D1 und D4 in Sperrichtung vorgespannt sind (AUS-Zustand); daher leiten die Dioden D2 und D3 das Eingangssignal zum Ausgang. Während des negativen Halbzyklus der Eingangsspannung leiten die Dioden D1 und D4, während D2 und D3 im AUS-Zustand bleiben und eine Ausgangsspannung an der Last erzeugen. Bei einem Vollwellengleichrichter wird die Ausgangsspannung im Gegensatz zu einem Einweggleichrichter sowohl während der positiven als auch der halben Periode der Eingangsspannung erzeugt. Daher ist der Wirkungsgrad eines Vollwellengleichrichters doppelt so hoch wie der eines Einweggleichrichters.

Die meisten Geräte verwenden Vollwellengleichrichter, darunter Telefone, Fernseher, Radios, Laptops usw. Vollwellengleichrichter haben einen Wirkungsgrad von 81,2 %, während Einweggleichrichter nur einen Wirkungsgrad von 40,6 % haben. Der Bau von Vollwellengleichrichtern ist jedoch teurer, da mehrere Dioden erforderlich sind.

Wie man einen Transformator auswählt

Bei der Auswahl eines Transformators sind Faktoren wie die Last und die Anwendung zu berücksichtigen. Um sicherzustellen, dass der Transformator Ihren Anforderungen entspricht, müssen Sie sich eingehend mit dem Design befassen. Die folgenden Fragen sollen Ihnen helfen, einen Transformator zu finden, der Ihren Anforderungen entspricht.

• Verfügt der Transformator über eine ausreichende Kapazität, um die erwartete Last zu bewältigen?
• Wie langlebig ist der Transformator?
• Kann die Tragfähigkeit erhöht werden, um mehr Ladung aufnehmen zu können?
• Entsprechen die Kosten des Transformators Ihrem Budget?

Faktoren, die bei der Auswahl eines Transformators zu berücksichtigen sind

Sicherheitsanforderungen

Sicherheit sollte die oberste Priorität sein. Überprüfen Sie immer die Angaben, um sicherzustellen, dass der Transformator niemandem schaden kann. Außerdem muss der Transformator von einer Sicherheitsbehörde zertifiziert sein.

Eingangs- und Ausgangsspannung

Die Eingangs- und Ausgangsspannung bestimmt den verwendeten Transformator. Die Anzahl der Windungen in der Primärwicklung bestimmt die Eingangsspannung. Die Ausgangsspannung hängt von der Anzahl der Windungen in der Sekundärwicklung ab.

Montage-Konfigurationen

Die gängigsten Montagearten sind die Gehäusemontage (Einbau in Industriegehäuse) und die PC-Montage (Befestigung am Gehäuse). Es gibt auch andere großartige Befestigungsmöglichkeiten. Die Kenntnis des Layouts und der Methode (vertikal, horizontal oder flach) hilft Ihnen bei der Auswahl der Montageoptionen.

Platzmangel

Geben Sie bei der Auswahl eines Transformators immer die Größenbeschränkungen an. Definieren Sie die Höhe, Länge und Breite des Transformators, die für eine bestimmte Anwendung benötigt werden. Die Größenangaben sind wichtig, um sicherzustellen, dass Ihnen der Platz nicht ausgeht.

Anwendungen von AC-DC-Transformatoren

• Haushaltsgeräte wie Waschmaschinen werden als Stromversorgungskreise verwendet.
• Geräte, die wir täglich benutzen, wie z. B. Ladegeräte für Mobiltelefone, sind auf Wechselstrom-Gleichstrom-Transformatoren angewiesen, um zu funktionieren.
• Andere Haushaltsgeräte, die einen Wechselstrom-Gleichstrom-Transformator benötigen, sind Kühlschränke, Fernsehgeräte, Elektroherde usw.
• Auch im medizinischen Bereich werden für den Betrieb einiger Geräte Wechselstrom-/Gleichstromtransformatoren verwendet.
• Die AC/DC-Transformatoren werden in Automatisierungsprozessen stark beansprucht.

Beschränkungen von AC/DC-Transformatoren

Trotz der vielen Anwendungen von Wechselstrom-Gleichstrom-Transformatoren gibt es Herausforderungen bei ihrer Verwendung. Dazu gehören die folgenden:

• Die Schwankung der ausgegebenen Gleichspannung. Die Schwankungen der Ausgangsspannung machen es riskant, Geräte direkt von einem Wechselstrom- an einen Gleichstromtransformator anzuschließen.
• Wechselstrom-Gleichstrom-Transformatoren verschwenden Energie, indem sie viel Wärmeenergie freisetzen. Diese Verschwendung trägt zu den hohen Kosten für die Installation und Wartung eines Wechselstrom-Gleichstrom-Transformators bei.
• Wechselstrom-Gleichstrom-Transformatoren nehmen viel Platz in Anspruch.

FAQs

Wie wählt man den richtigen Transformator aus?

Die Geräte sind mit Etiketten versehen, auf denen die benötigte Watt- oder Amperezahl angegeben ist. Erkundigen Sie sich nach den Einzelheiten der Maschinen.

Was versteht man unter einem Aufwärts- oder Abwärtstransformator?

Aufwärtstransformatoren erhöhen die Spannung, und Abwärtstransformatoren verringern die Spannung auf der Sekundärseite im Verhältnis zur Primärseite. Das Prinzip der elektromagnetischen Induktion wird bei der Aufwärts- oder Abwärtsspannung angewendet.