Muuntajat

Muuntaja engl. 'transformer' on elektroniikassa sähkömagneettinen komponentti, joka nimensä mukaisesti muuntaa siihen syötettyä signaalia (vaihtojännitettä tai vaihtovirtaa). Muuntaja ei toimi tasajännitteellä/tasavirralla.

Muuntaminen voi olla joko suodatusta, jännitteen/virran pienennystä tai suurennusta, mutta yhtä hyvin muuntajaa voidaan käyttää myös kytkennän galvaaniseen erottamiseen (eli isolointiin) ja myös signaalien havaitsemiseen ilman fyysistä kontaktia.

Käyttötapauksia löytyy sovellustyypin mukaan huima määrä, aivan kuten muissakin elektroniikan komponenteissa. Yleisimmät käyttökohteet lienevät jännitteen suurennus tai pienennys (virtalähteiden sisällä), galvaaninen erotus ja signaalin suodatus.

Muuntajan piirikaaviosymboli on alla:

Piirikaaviossa pystysuora viiva kertoo rautasydämestä ja pisteet kelojen päissä kertovat signaalin vaiheesta ja siten jännitteen polariteetista (eli missä on plussa ja missä miinus). Koska muuntaja toimii vaihtojännitteellä, niin muuntajan päistä mitattuna jännite vaihtelee positiivisen ja negatiivisen välillä.

Tässä tapauksessa, jos molempien kelojen jännitettä mitattaisiin esimerkiksi yleismittarilla, niin yleismittari näyttäisi molemmissa keloissa positiivisen ja negatiivisen jännitteen yhtä aikaa. Tällöin puhutaan, että signaalin vaihesiirto on nolla astetta. Alla oleva kuva esittää tätä tilannetta:

Jos piste olisikin toisella kelalla toisessa päässä (eli kuva ei olisi symmetrinen), niin silloin toisen kelan jännite olisi vastakkainen, eli toisella kelalla olisi positiivinen jännite silloin kun toisella kelalla olisi negatiivinen jännite. Tällaisen muuntajan vaihesiirto jännitteelle olisi nyt 180 astetta. Alla oleva kuva esittää tätä tilannetta:

Sähkömagneettinen komponentti?

Sähkömagneettinen komponentti ei välttämättä ensikertalaiselle vielä täysin avaudu, että mitä tämä sähkömagneettinen oikein tarkoittaa, joten siitä pari sanaa lyhyesti.

Jokainen tietää magneetin, eikös vain? Ja jokainen tietää sähkön. Kun sähkö ja magneetti yhdistetään niin syntyy sähkömagneetti - vai syntyykö? Heh, no ei aivan. Se olikin vitsi.

Sähkömagneettinen tarkoittaa enemmänkin sitä, että kun sähkömagneettiseen laitteeseen tai komponenttiin syötetään jännite ja virta eli sähkö, niin nämä aiheuttavat syötetyn laitteen ympärille magneettisen kentän. Eli laite muuttuu magneettiseksi - ja magneetithan reagoivat kaikkeen magneettiseen, kuten metalleihin. Muuntaja ei lähtökohtaisesti ole sähkömagneetti, eli siis sähköllä ohjattava magneetti ellei sitä ole suunniteltu sellaiseksi.

Sähkömagnetismi on muuntajassa läsnä aina sen vuoksi, että kelaan (mikä muuntajasta löytyy aina vähintään yksi kappale) syötetty virta aiheuttaa magneettisen kentän, mitä siinä ei muutoin olisi. Tämä on olennainen tieto muuntajan toiminnan ymmärtämiseksi.

Muuntajan ulkonäkö

Muuntajan rakenne vaihtelee suuresti aina käyttökohteen ja -tarpeen mukaan. Jos olet koskaan tarkastellut esimerkiksi tietokoneen virtalähteen komponentteja, olet törmännyt mm. keloihin, kondensaattoreihin, vastuksiin, varistoreihin, diodeihin, transistoreihin... ja muuntajiin. Sekä tietysti muihinkin komponentteihin!

Googlen kuvahaulla löytyy paljon erilaisia muuntajia ja kytkentöjä niistä, mutta yleisimpiä ja tunnetuimpia muuntajan rakenteita ovat pakkasydänmuuntajat (tunnetaan myös rautasydänmuuntajana), rengassydänmuuntajat (tunnetaan myös toroidimuuntajana), säätömuuntajat ja RF-muuntajat. Alla on esitetty muutama kuva eri muuntajista:

Rautasydänmuuntaja
Rengassydänmuuntaja
Säätömuuntaja
Säätömuuntaja
Toisenlainen rautasydänmuuntaja

Erilaisten muuntajien täydellistä rakennetta ei tässä kannata alkaa perkaamaan, sillä erilaisia rakenteita on olemassa todella paljon. Mikäli sinulla tulee tarvetta tietää jonkin muuntajan tarkka rakenne, niin kannattaa yrittää Googlella etsiä vastaavia muuntajia tai jos muuntajan tyyppikoodi on tiedossa niin etsiä tietoa sen avulla.

Muuntajan toiminta

Alle olen koittanut selvittää mahdollisimman ymmärrettävästi yksinkertaisen muuntajan toimintaperiaatteen.

Muuntaja koostuu vähintään kahdesta kelasta, eli kierroksille käärityistä kuparijohtimista, jotka ovat toisistaan eristettyjä. Mikäli kelan käsite on vieras, kannattaa vilkaista ensin kelan sivu (btw. linkki ei ohjaa KELA:n eli kansaneläkelaitoksen sivuille... eikä myöskään Anssi Kelan sivuille).

Alla oleva Wikipedian kuva esittää tavanomaista rautamuuntajaa minkä ympärille on kääritty kaksi kelaa. Ensimmäistä kelaa sanotaan ensiökäämiksi (engl. primary) ja toista kelaa sanotaan toisiokäämiksi (engl. secondary).

Kun kuvan ensiökäämiin tuodaan vaihtojännite, niin kelan läpi kulkeva virta saa aikaan kelan ympärille muuttuvan magneettikentän. Kelassa oleva sydän, joka tässä tapauksessa on rautasydän, puolestaan varastoi ja kuljettaa magneettikentän kohti toisiokäämiä. Kun magneettikenttä saavuttaa toisiokäämin, alkaa jännitettä muodostumaan toisiokäämin napoihin ja energiaa siirtyy ensiökäämin muodostaman magneettikentän mukana toisiokäämille.

Muuntaja ei siis siirrä elektroneja kelasta toiseen, vaan energia välittyy sähkömagneettisen kentän mukana fotonien välityksellä. Koska elektronit eivät muuntajassa siirry, on kelojen galvaaninen (fyysinen) erotus toteutunut.

Muuntajan muuntosuhde

Kuvan mukaisessa muuntajassa ensiö- ja toisiokäämeissä on tietty määrä kierroksia rautasydämen ympärille käärittynä. Kuinka paljon ja kuinka paksua johdinta muuntajan ympärille on kääritty, riippuu siitä miten syötettävää jännitettä halutaan pienentää tai suurentaa ja kuinka paljon virtaa käämeihin halutaan kulkemaan.

Käämien kierrosten lukumäärät vaikuttavat suoraan muunnettavaan jännitteeseen, joten näiden suhdetta kuvataan termillä muuntosuhde ja sitä voidaan merkitä esimerkiksi suhdeluvulla 1:10. Tässä tapauksessa toisiopuolella on 10-kertaa enemmän kierroksia kuin ensiöpuolella ja muuntaja on tällöin step-up-tyyppinen eli se muuntaa jännitettä 10-kertaa suuremmaksi kuin mitä ensiöpuolelle syötetään.

Kaavalla ilmaistuna jännitteen muuntosuhde on:

missä U1 on ensiökäämin jännite, U2 toisiokäämin jännite ja N1 ja N2 vastaavasti kierrosten lukumäärät.

Virran puolesta suhde on käänteinen:

I2 on toisiokäämin virta ja I1 on ensiökäämin virta. Mitä tämä sitten käytännössä tarkoittaa?

Käänteinen virran suhde tarkoittaa sitä, että kun kierrosmäärä toisiopuolella vähenee, niin virta toisiopuolella suurenee. Tämä suhde mahdollistaa esimerkiksi hitsausmuuntajat. Suurilla virroilla täytyy kuitenkin käytännössä ottaa huomioon toisiokäämin kuparilangan paksuus, mikäli suuria virtoja johtimen läpi on tarkoitus kuljettaa.

Lähteitä ja linkkejä:

https://fi.wikipedia.org/wiki/Muuntaja (ensimmäinen kuva)
https://en.wikipedia.org/wiki/Transformer
http://www.trafomic.fi/muuntaja
http://www.intertrafo.fi/muuntaja
https://en.wikipedia.org/wiki/Transformer_types
https://www.codecogs.com/latex/eqneditor.php
https://www.allaboutcircuits.com/textbook/alternating-current/chpt-9/phasing/