Trasformatore sotto carico

Programmi: GCSE, Sek I/II

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Obiettivo

Confrontare le correnti e le potenze nei circuiti primario e secondario di un trasformatore e stimarne il rendimento.

Il montaggio

Un generatore di tensione alternata (onda sinusoidale, ampiezza 12 V, valore efficace 8,5 V), 50 Hz, è collegato tramite un amperometro all'avvolgimento primario del trasformatore (500 spire). Il circuito secondario (250 spire) contiene un amperometro e una lampadina da 3,5 V / 1 W. I voltmetri sopra il trasformatore mostrano la tensione sull'avvolgimento primario e su quello secondario; tutti sono in modalità AC. Il wattmetro sopra l'amperometro del circuito primario mostra la potenza assorbita dall'avvolgimento primario.

Procedimento

1. Annotare le letture dei quattro strumenti: \(U_1\), \(I_1\), \(U_2\), \(I_2\).
2. Calcolare i rapporti \(U_2 / U_1\) e \(I_1 / I_2\) e confrontarli con il rapporto delle spire \(N_2 / N_1\).
3. Annotare la potenza del circuito primario \(P_1\) dal wattmetro e calcolare la potenza nel circuito secondario \(P_2 = U_2 \cdot I_2\) (la lampadina è un carico resistivo). Trovare il rendimento \(\eta = P_2 / P_1\). Confrontare \(P_1\) con il prodotto \(U_1 \cdot I_1\).
4. Impostare Spire del secondario a 150. Come sono cambiate la luminosità della lampadina e la corrente \(I_1\)?

Risultato atteso

Le letture sono circa \(U_1\) = 8,38 V, \(I_1\) = 146 mA, \(U_2\) = 3,55 V, \(I_2\) = 286 mA, \(P_1\) = 1,12 W. La corrente nel circuito primario è più piccola della corrente nel secondario all'incirca dello stesso fattore per cui la tensione sull'avvolgimento primario è più grande: \(I_1 / I_2\) ≈ 0,51 ≈ \(N_2 / N_1\). La potenza nel circuito secondario è di circa 1,01 W e il rendimento di circa il 90%; le perdite sono dovute al riscaldamento degli avvolgimenti. Il prodotto \(U_1 \cdot I_1\) ≈ 1,23 V·A è maggiore di \(P_1\): è la potenza apparente, e una parte della corrente primaria è la corrente magnetizzante, che non consuma energia ma la sposta soltanto avanti e indietro. Sotto carico \(U_2 / U_1\) = 0,42, sensibilmente meno che senza carico: una parte della tensione si perde nella resistenza degli avvolgimenti e a causa della dispersione del flusso magnetico. Con meno spire sull'avvolgimento secondario la lampadina brilla meno, e anche la corrente del circuito primario diminuisce.

Domande

1. Perché la corrente dell'avvolgimento primario è più piccola, se il trasformatore è riduttore?
2. Da dove viene la potenza assorbita dalla lampadina?
3. Perché il rendimento di un trasformatore è minore del 100%?

Risposte

1. Il trasformatore trasferisce energia dal circuito primario al secondario con piccole perdite, quindi la potenza nei due circuiti è circa la stessa. A parità di potenza, il lato con la tensione più alta è percorso dalla corrente più piccola: 146 mA nel primario contro 286 mA nel secondario, un rapporto di circa 0,51, vicino a \(N_2 / N_1\) = 0,5.
2. Dal generatore di tensione alternata. La corrente primaria crea nel nucleo un flusso magnetico alternato, e questo flusso induce la tensione che fa circolare la corrente nella lampadina, quindi l'energia passa al secondario attraverso il campo magnetico. L'avvolgimento primario preleva dal generatore 1,12 W, e di questi la lampadina riceve circa 1,01 W.
3. Una parte dell'energia scalda gli avvolgimenti. Il simulatore assegna loro una resistenza di 2,5 Ω (500 spire) e 0,625 Ω (250 spire); \(I^2 \cdot R\) dà circa 0,05 W in ciascuno, il che spiega la differenza di 0,11 W tra \(P_1\) e \(P_2\). Un trasformatore reale perde energia anche nel nucleo d'acciaio per correnti parassite e isteresi; il nucleo del simulatore non ha perdite di questo tipo.