みなさま、お疲れ様です。
絶縁型の回路を扱うようになったときに最初のハードルは「トランス(変圧器)って何？」ではないでしょうか？
本記事では「トランス？最高にハイな状態のこと？」くらいの人に向けて
トランス？ってどういうものなのか？
について書いてみようと思います。
では始めます。
まずトランスの実物を見てみる
教科書で出てくる回路記号↓で話をする前に実物を見てみましょう。
実物はこんなのです↓。
中身がどうなっているかを以下でダラダラ説明します。
まず電線を巻き付けるボビンがあります。
このボビンに電線を巻き付けます。
回路記号の左側を巻いてます。
固定用と1次と2次の絶縁のためにテープを巻きます。
また巻き線を巻きます。
回路記号の右側を巻いてます。
またテープを巻きます。
仕上げに黄色テープを巻きます。
電線の被覆をむいて、端子にはんだ付けします。
次にコアを取り付けます。EIコアはE字とI字に分かれているからEIコアです。
コアを取り付けたら、こんな感じです↓。
仕上げにテープを巻いたら終わりです。
これがトランスです。見た目は以上です。次はこれがどう動くのか？について解説します。
トランスはどんな動きをするの？
1次側電圧を巻き線比分2次側へ伝達する
トランスの動作は
「1次側に電圧をかけたら巻き線数の比で2次側に電圧が出てくる。」
です。
式で書くと以下です。
$$\small{
V_2=\frac{n_2}{n_1}V_1
}$$
V1：1次側電圧[V]、V2：2次側電圧[V]、n1：1次側巻き線数、n2：2次側巻き線数
例えば、V1=100V,n1=2,n2=1だったらV2=50Vになるって感じです。
簡単ですね。
ではなぜこうなるのでしょうか？
それはファラデーの電磁誘導の法則によるものです。ちょっと嫌になりますね。
ファラデーの法則は以下式です。
$$\small{
V_1=n_1\frac{dΦ}{dt}\\
V_2=n_2\frac{dΦ}{dt}
}$$
Φ：磁束
磁束の変化量に巻き線を掛けたら、電圧になるって式ですね。
トランスを簡単な図で描くとこうです↓。
1次側にV1の電圧をかけると電流が流れて磁束が発生します↓。
この磁束はコアを介してn2を貫きます。
n1とn2に同じ量の磁束が貫かれるので、以下の式からdΦ/dtを消します。
$$\small{
V_1=n_1\frac{dΦ}{dt}\\
V_2=n_2\frac{dΦ}{dt}
}$$
すると以下の式が導出されます。
$$\small{
V_2=\frac{n_2}{n_1}V_1
}$$
こんな感じで1次側電圧が巻き線比に応じて2次側に伝達されます。
このときにトランス1次側に電流ieが流れます。これはコアに磁束を生じさせて、トランスに磁力を与えている電流です。この電流を励磁電流と言います。
2次側電流を引っ張ると1次側に巻き線比分の電流が流れる
電流の動きも巻き線比に応じて流れます。
$$\small{
i_1=\frac{n_2}{n_1}i_2
}$$
i1：1次側負荷電流[A]、i2：2次側負荷電流[A]
i2=1Aで、n1=2、n2=1ならi1=0.5Aとなります。
W2=50V*1A=50W、W1=100V*0.5A=50Wと電力が同じですね。
ではなぜこうなるのでしょうか？
それはホプキンソンの法則によるものです。だいぶ嫌になりますね。
ホプキンソンの法則は以下式です。
$$\small{
n_1i_1=Φ_1*R_m\\
n_2i_2=Φ_2*R_m
}$$
Rm：磁気抵抗
磁気抵抗はコアの形状や種類などで決まっている定数です。ここではコアで一定の値と捉えていたら大丈夫です。
まず先ほどのトランスに負荷を引っ張ったときを考えます。
i2が流れるため磁束が生じます↓。Φ2とします。
これがコアを介してn1を貫き、電圧を発生させて、電流i1を流します。
電流i1が生じるということは、この電流による磁束が生じます。これをΦ1とします。
これがΦ1とΦ2で逆向き磁束が生じ、最終的にΦ1=Φ2に落ち着き、お互いが打ち消します。なので最終的には励磁電流ieにより生じた磁束Φeのみが残ります。
は？なんで落ち着くの？って思うかもしれません。もしどちらかの磁束が大きかったら、その磁束分の電圧を生じさせて⇒電流流して⇒磁束を作ってと動いて結局、Φ1=Φ2に落ち着いていきます。
なので、さきほどのホプキンソンの法則の式でΦ1=Φ2として、結合することが出来ます。
$$\small{
n_1i_1=Φ_1*R_m\\
n_2i_2=Φ_2*R_m
}$$
したがって、以下の式が導出できます。
$$\small{
i_1=\frac{n_2}{n_1}i_2
}$$
はい、こんな感じトランスは動きます。
まとめ
まとめると
- トランスはボビンに複数の電線巻いて、コアをつけたもの
- 電圧を巻き線比に応じて伝達する。
- 電流も巻き線比に応じて伝達する。
ですね。以上となります。
誰かの参考になれば幸いです。最後までお読みいただきありがとうございました！！
オススメの書籍
コイルって何？トランスって何？という基礎から、どうやって設計したらいいのか？まで書かれています。初学者にオススメの書籍です。
良かったら読んでみて下さい。
