Многим известно, что практически ни одно мощное радиоэлектронное устройство не обходится без использования трансформаторов. Трансформатор представляет собой магнитопровод, состоящий из ферромагнитного материала, с намотанными поверх него медными обмотками. Как правило, трансформатор имеет две обмотки, причём первичная обмотка подключена к источнику переменного тока, а ко вторичной обмотке подключена нагрузка. И именно путём регулировки нагрузочного сопротивления устанавливают необходимый эксплуатационный режим.

Трансформаторы используют для преобразования энергии, в частности, для изменения значения тока, напряжения или мощности в цепи. Это позволяет включать в сеть с напряжением 220 вольт приборы, работающие во много меньшем диапазоне напряжений.

Недостаток рассматриваемого устройства – высокие электромагнитные потери, связанные с особенностями строения трансформатора. Поэтому необходимо искать пути решения данной проблемы. С физической точки зрения постараемся разобраться, как увеличить КПД трансформатора.

Потери бывают двух видов: потери «в стали», или потери в магнитопроводе (сердечнике) трансформатора, и потери «в меди», или потери в обмотках. Мощность, расходуемая на вышеперечисленные потери, снижает КПД. КПД рассчитывается следующим образом: КПД = Р2/Р1 = Р2/(Р2 + Рст + Рм), где:
Р2 – мощность в нагрузке,
Рст – мощность потерь «в стали»,
Рм – мощность потерь «в меди».

Таким образом, для повышения эффективности работы трансформатора необходимо снизить потери в сердечнике и в обмотках.

Рассмотрим потери «в меди». Они создаются из-за естественного наличия электрического сопротивления металлического проводника – медной обмотки. Значит, необходимо по возможности максимально увеличить проводимость или, другими словами, уменьшить сопротивление. R = р*l/S, где:
р – удельное электрическое сопротивление,
l – длина проводника,
S – площадь поперечного сечения проводника.

И что мы имеем? Для уменьшения сопротивления нужно уменьшить удельное сопротивление или длину проводника либо увеличить площадь поперечного сечения.

Самое низкое удельное сопротивление у алюминия и затем у меди. Но алюминий является драгоценным металлом, что сравнительно сильно увеличивает себестоимость трансформатора. Поэтому выгоднее использовать медь. Но это мы и так имеем. В промышленном производстве трансформаторов обмотки всегда делают медными.

Уменьшение длины обмотки также не является решением. Дело в том, что, уменьшая длину, мы уменьшаем и число витков обмотки, тем самым изменяя коэффициент трансформации, и, следовательно, ту цель, ради которой мы используем трансформатор. Данным образом мы не получим необходимое нам преобразование.

Остаётся одно: увеличить площадь поперечного сечения. При этом у нас увеличивается толщина обмотки. Очевидно, что бесконечно это делать невозможно, тем более что мы должны следить за габаритами. Так мы можем снизить потери «в меди».

Перейдём к потерям «в стали». К ним относятся потери на гистерезисе сердечника и потери на вихревые токи.

Петля гистерезиса – это магнитная характеристика магнитопровода трансформатора, показывающая зависимость магнитной индукции от напряжённости магнитного поля B = f(H). Известно, что чем больше площадь петли гистерезиса, тем больше потери. Соответственно, чтобы снизить потери на гистерезисе, необходимо в качестве сердечника использовать стальной магнитопровод с узкой петлёй гистерезиса.

Другой вид потерь «в стали» связан с наличием вихревых токов. Решение – в качестве сердечника трансформаторов использовать не сплошной магнитопровод, а магнитную систему из числа тоненьких пластин, покрытых изолирующим лаком.

Таким образом, всеми вышеперечисленными способами мы можем значительно повысить КПД трансформатора.