変圧器に関する知識

変圧器は、電磁誘導の原理を利用して交流電圧を変換する装置です。主な構成要素は、一次コイル、二次コイル、鉄心です。

電子機器業界では、変圧器の影をよく見かけますが、最も一般的なのは電源における電圧変換や絶縁のために使用されます。

つまり、一次コイルと二次コイルの電圧比は、一次コイルと二次コイルの巻数比に等しい。したがって、異なる電圧を出力したい場合は、コイルの巻数比を変更すればよい。

変圧器は、動作周波数によって大きく低周波変圧器と高周波変圧器に分けられます。例えば、日常生活で使われる交流電源の周波数は50Hzです。この周波数で動作する変圧器を低周波変圧器と呼びます。高周波変圧器の動作周波数は、数十kHzから数百kHzに達することもあります。

高周波トランスの体積は、同じ出力電力の低周波トランスの体積よりもはるかに小さい。

変圧器は電源回路において比較的大きな部品です。出力電力を確保しつつ小型化を図るには、高周波変圧器を使用する必要があります。そのため、スイッチング電源には高周波変圧器が用いられます。

高周波トランスと低周波トランスの動作原理は同じで、どちらも電磁誘導の原理に基づいています。ただし、材料の面では、それらの「コア」には異なる材料が使用されています。

低周波変圧器の鉄心は一般的に多数の珪素鋼板を積層して作られるのに対し、高周波変圧器の鉄心は高周波磁性材料（フェライトなど）で構成されている。（そのため、高周波変圧器の鉄心は一般的に磁気コアと呼ばれる。）

直流安定化電源回路では、低周波トランスが正弦波信号を送信する。

スイッチング電源回路では、高周波トランスが高周波パルス方形波信号を送信する。

定格電力において、変圧器の出力電力と入力電力の比を変圧器の効率と呼びます。変圧器の出力電力が入力電力と等しい場合、効率は100%となります。しかし実際には、銅損と鉄損が存在するため、変圧器には必ず一定の損失が生じるため、そのような変圧器は存在しません。

銅の損失とは何ですか？

変圧器のコイルには一定の抵抗があるため、電流がコイルを流れる際に、エネルギーの一部が熱に変換されます。変圧器のコイルは銅線で巻かれているため、この損失は銅損とも呼ばれます。

鉄分損失とは何ですか？

変圧器の鉄損は主にヒステリシス損失と渦電流損失の2つの側面から構成されます。ヒステリシス損失とは、交流電流がコイルを通過する際に、鉄心を通過する磁力線が発生し、鉄心内部の分子が互いに摩擦して熱を発生するため、電気エネルギーの一部が消費される現象を指します。磁力線が鉄心を通過するため、鉄心には誘導電流も発生します。この電流は渦を巻くため、渦電流とも呼ばれ、渦電流損失によっても電気エネルギーの一部が消費されます。