変圧器の動作原理｜わかりやすい解説｜株式会社デンソーウェーブ

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ほとんどの電子機器には、小さなものがいくつもハンダ付けされています。 PCBボード.変圧器について説明します。その主な機能は、電流の電圧を調整することです。低電圧を上げたり、高電圧を下げたりすることができます。この機能は、電力網や電子機器を安全かつ効果的に作動させるために不可欠です。

多くの人が 変流器 しかし、そのメカニズムについてはあまり知られていません。この地味に見える箱の動作の根底には、基本的な物理学の原理があります。可動部品はありません。その代わり、磁場を利用して回路間でエネルギーを伝達します。

変圧器には何が入っていますか？

トランスの動作を理解するためには、まずトランスの構造を理解する必要があります。基本的な変圧器には必要不可欠な部品がいくつかあるだけです。その設計は単純ですが、非常に強力です。その基本的な構成図を見てみましょう。

長方形または正方形のリングをご検討ください。このリングは、装置のベースとなる頑丈なものです。今、このリングが2つの異なるワイヤーのコイルで囲まれていると想像してください。一方には一方のコイルがあり、もう一方にはもう一方のコイルがあります。これがトランスの基本的な構造です。

その内訳は以下の通り：

アイアン・コア コアはリングそのものです。通常、鉄などの強磁性体で構成されています。鉄は磁場の伝導に非常に効果的であるため、鉄が使用されます。あるワイヤーコイルから次のワイヤーコイルへと磁場を導くのはコアの役目です。その結果、この手順は非常に効果的です。そのため、1つ目のコイルで発生した磁気エネルギーのほぼすべてを2つ目のコイルが受け取ります。

最初のワイヤーコイルは一次巻線と呼ばれます。一次巻線は、片側の鉄心を取り囲んでいます。このコイルがトランスの入力となります。一次巻線は電源から電力を受け取ります。銅は優れた電気伝導体であるため、ワイヤーはほぼ常に銅製です。ワイヤがコアに何回巻かれているかが重要な理由については、後ほど説明します。

2番目のワイヤーコイルは2次巻線と呼ばれます。二次巻線は鉄心を別の面で取り囲みます。トランスの出力はこのコイルです。変更された電気は二次巻線から出て、電源となる回路や機器に移動します。このワイヤーを作るのにも銅が使われます。このコイルのもう一つの重要な要素は巻き数です。最終的な出力電圧はこれによって決まります。

これら3つの要素が組み合わさることで、電圧が変化します。物理的には、一次巻線と二次巻線は接続されていません。電気的には別物です。コアを通過する磁場だけが、両者の間でエネルギーを移動させることができます。もう一つの重要な点は、この分離により電気的に絶縁されていることです。

核心原理：電磁誘導のしくみ

トランスの動作全体は、物理学の強力な原理に基づいています： 電磁誘導.このアイデアは1830年代にマイケル・ファラデーによって発見されました。電気の歴史において最も重要な発見のひとつです。

では、電磁誘導とは何でしょうか？

簡単に言えば、変化する磁場が電線に電流を発生させるということです。コイル状のワイヤーがあり、その近くに磁石を動かすと、ワイヤーに電圧が発生します。また、磁石が静止していても、磁石が作る磁場が強くなったり弱くなったりすれば、電線にも電圧が発生します。

ここでのキーワードは 変え.一定で変化しない磁場は何もしません。磁場は動いているか、強さが変化していなければなりません。この変化がワイヤー内の電子を押し、電圧を生み出します。これが変圧器の魔法です。トランスは1つのコイルに電気を流し、変化する磁場を作り出します。そして、この変化する磁場が2つ目のコイルに新しい電気を作り出します。

この原理は磁気と電気を結びつけます。一方が他方を作り出すことができるのは、変化がある場合だけです。変圧器はこのプロセスをうまく行うように設計されています。変圧器は交流電流（AC）を使って、変化する磁場を作り出します。ステップ・バイ・ステップの作業プロセスで、このすべてがどのように組み合わされるかを見てみましょう。

変圧器の動作原理

部品と主原理がわかったところで、変圧器がどのように機能するかを順を追って見ていきましょう。このプロセスは、スムーズで連続的な連鎖です。

交流（AC）入力

このプロセスは、電源が一次巻線に接続されたときに始まります。この電源は 交流.これは変圧器が機能するための最も重要な条件です。

交流は、電流の向きが常に変わるタイプの電気です。一方に流れた後、反転してもう一方に流れ、1秒間に何度も行ったり来たりします。米国では標準周波数は60ヘルツで、これは1秒間に60回方向が変わることを意味します。交流のこの絶えず変化する性質が鍵なのです。

変化する磁場の創造

一次巻線に交流電流が流れると、ワイヤーの周囲に磁界が発生します。電流は常に変化しているため、電流が作り出す磁場も常に変化しています。

• 電流が一方向に最大になるとき、磁場は最も強くなります。
• 電流が減少すると、磁場は弱くなります。
• 電流の向きが反転すると、磁場の極性も反転します（北極と南極が入れ替わる）。

つまり、一次巻線は電磁石のように機能しますが、その磁場は安定していません。磁場は脈動し、常に反転しています。この変化する磁場がトランスのエネルギー・キャリアです。

フィールドを導く鉄心

一次巻線が作る変化する磁場は外側に広がります。鉄心はこの磁場のちょうど真ん中に配置されています。先にも述べたように、鉄芯は磁界を伝導するのに非常に優れています。鉄芯は磁界のほとんどすべてをとらえ、集中させます。

そしてコアは、変化する磁場をその経路に沿って誘導します。一次巻線から二次巻線へと磁界を誘導します。これがコアの唯一の仕事であり、磁場の橋渡し役です。優れたコアがなければ、磁気エネルギーの多くが空中に浮遊し、失われてしまいます。コアは、二次巻線に最大限のエネルギーが供給されるようにします。

二次巻線への電圧誘導

変化する磁界はコアに導かれ、二次巻線の中心を流れます。電磁誘導の原理を思い出してください。変化する磁界は、近くのコイルに電圧を発生させます。

まさにここで起きていることです。脈動する反転磁界が二次巻線のワイヤーを横切ります。この動く磁力が二次巻線内の電子を押し、電子の動きを引き起こします。この電子の動きが電流です。つまり、新たな交流電圧が発生するわけです。 誘導二次巻線を横切ります。

この新しい電圧の周波数は一次電圧と同じです（例えば60ヘルツ）。しかし、その電圧レベルは異なります。出力電圧は、一次巻線と比較した二次巻線の巻数に完全に依存します。

このプロセス全体は、一次コイルと二次コイルが物理的に接続されることなく行われます。エネルギーは磁界を通して目に見えない形で伝達されます。これが変圧器の完全な動作原理です。電気と磁気の4段階のダンスです。

ステップアップとステップダウン：ターン数の重要性

トランスは電圧を変えることができると言いました。しかし、電圧が上がるか下がるかをどのように制御するのでしょうか？答えは簡単でエレガントです。それは 回転比.巻数比は、一次巻線の巻数に対する二次巻線の巻数の比です。

降圧トランス

降圧トランスは電圧を下げるために使用されます。そのために 二次巻線は一次巻線より巻数が少ない.

例 一次巻線が1,000ターン、二次巻線が100ターンしかないとします。これは10対1の巻数比です。一次側に120ボルトのACを印加すると、二次側は12ボルトのACしか発生しません。

これは非常によくあることです。携帯電話やノートパソコンの充電器がその典型です。そのプラスチックケースの中には、小さな PCBボードその上に降圧トランスがあります。この変圧器は、コンセントから120ボルトを取り出し、デバイスのバッテリーを充電するのに必要な低電圧に降圧します。

電圧が下がる一方で、使用可能な電流は増加します。小さなエネルギー損失を無視すれば、変圧器の両側の電力（電圧×電流）は同じです。つまり、電圧を10で割れば、電流は10倍になります。

基本的な計算式はこうです：

どこで

• VSは二次巻線の電圧です。
• VPは一次巻線の電圧です。
• NSは2次巻線の巻数。
• NPは一次巻線の巻数。

昇圧トランス

昇圧トランスは電圧を上げるために使用します。そのために 二次巻線は一次巻線よりも巻数が多い.

• 例 一次巻線が100ターン、二次巻線が2,000ターンだとします。これは1対20の巻数比です。一次側に120ボルトのACを印加すると、二次側は2,400ボルトのACを発生します。

昇圧トランスは送電網に不可欠です。発電所では比較的低い電圧で電気を発電します。この電力を送電線を通して長距離に送るには、電圧を非常に高いレベル（数十万ボルトなど）に昇圧します。これにより、電線におけるエネルギー損失が減少します。その後、送電線が家庭に届く前に、一連の降圧変圧器によって家庭で使用できる安全なレベルにまで電圧を下げます。

昇圧トランスでは、電圧が上がる一方で、利用可能な電流は同じ比率で下がります。これも電力が一定でなければならないためです。

変圧器の一般的な用途

トランスは簡単に電圧を変えることができるため、さまざまな場所で使用されています。ここでは、最も一般的な用途をいくつかご紹介します：

• パワーグリッド すでに述べたように、送電線は発電所から家庭への送電に不可欠なものです。長距離移動のために電圧を上げ、近隣や家庭で安全に使用できるように何段階にも電圧を下げます。
• デバイス充電器： バッテリーを充電するために壁に接続するほぼすべての機器が、降圧トランスを使用しています。これには、電話、ノートパソコン、電動工具などが含まれます。
• PCBボード上の電力調整： コンピューターやステレオのような複雑な電子機器では、異なるチップやコンポーネントが動作するために異なる電圧を必要とします。小型トランスは、多くの場合 PCBボード は、単一の入力電圧を受け取り、回路全体に電力を供給するために必要な複数の低電圧を生成します。
• オーディオ機器： 特殊な変圧器は オーディオアンプ とスピーカー。その仕事は、オーディオ回路の異なる部分間のインピーダンス（電気抵抗の一種）を一致させることです。これにより、最高の音質と電力伝達が保証されます。
• アイソレーショントランスフォーマー： 主な目的は電圧を変えることではなく、安全のために1つの回路を別の回路から分離することである場合もあります。絶縁トランスの巻数比は1対1です。出力電圧は入力電圧と同じです。しかし、一次側と二次側の間に物理的な接続がないため、電源からのショックからユーザーを保護します。医療機器や電子機器の試験によく使用されます。

変圧器が直流ではなく交流でしか動作しない理由

これは非常によくある質問で、動作原理を理解しているか確認するのに最適な方法です。変圧器は直流（DC）では絶対に動作しません。

なぜですか？

電磁誘導の基本原理に戻りましょう。二次コイルに電圧が誘導されるのは、磁界が 変え.

• AC（交流）： 電流は常に変化しているため、常に変化する磁場が発生します。この変化する磁場が二次側に電圧を誘起します。このプロセスは連続的です。
• DC（直流）： 電流は一定レベルで一方向にのみ流れます。一次巻線に直流電源を初めて接続すると、電流はゼロから最大値になります。そのほんの一瞬の間、磁場が変化（成長）しているため、二次側に小さな電圧パルスが見えるかもしれません。しかしその後は、直流電流は安定しています。安定した電流は安定した一定の磁場を作り出します。磁場が一定であれば、二次巻線は変化しないので何もしません。変化がないということは、誘導がないということです。ですから、出力電圧は発生しません。

トランスの一次側を直流電源に長時間接続すると危険です。一次巻線は、非常に抵抗の低い長いワイヤーのコイルです。交流では、このコイルが誘導リアクタンスと呼ばれるものを作り出し、電流を制限します。直流ではリアクタンスはなく、銅線の抵抗が低いだけです。このため、非常に大きな電流が流れ、ワイヤーが過熱してトランスが破壊される可能性があります。

実際の変圧器とエネルギー損失

ここで説明したプロセスは、完全な、つまり「理想的な」変圧器の場合です。理想的な変圧器では、一次側からのエネルギーの100%が二次側に伝達されます。しかし、現実の世界では、完全に効率的なプロセスはありません。現実の変圧器ではわずかなエネルギーが失われ、通常は熱として放出されます。

このエネルギー損失の主な理由はいくつかあります：

• 銅損（またはI²R損）： 一次巻線と二次巻線の銅線には電気抵抗があります。この抵抗に電流が流れると、電気エネルギーの一部が熱に変換されます。これはちょうどトースターのエレメントが熱くなるのと同じです。より太いワイヤーは抵抗が小さく、この損失を減らすことができます。
• 渦電流損失： 二次巻線に電流が流れるだけでなく、磁場が変化することで鉄心の内部にも小さな円形の電流が流れます。私たちはこれを渦電流と呼んでいます。渦電流は何の生産性もありません。渦電流は単に循環し、コア内部に熱を発生させるだけです。トランスのコアは、これを減らすために鉄の固まりから作られていません。むしろ、積層として知られる多数の薄い鉄の層で構成され、その間に薄い絶縁層があります。この設計は、渦電流の経路を乱すことにより、この種のエネルギー損失を大幅に低減します。
• ヒステリシス損失： 交流電流の向きが反転するたびに、鉄心の磁場も極性を反転させなければなりません。鉄内部の磁区を前後に反転させるには、わずかなエネルギーが必要です。このエネルギーはコア内部の熱として失われます。これを磁気摩擦と呼ぶこともあります。コアに特殊な鉄（ケイ素鋼など）を使用すると、この損失を減らすことができます。

このような損失があっても、最新の変圧器は非常に効率的です。大型の電力変圧器の効率は99%以上にもなり、エネルギーが熱として浪費されることはほとんどありません。

結論

変圧器は、構造が単純でありながら、その影響力が非常に大きい装置の完璧な例です。その作動原理は、ファラデーの電磁誘導の法則を直接応用したものです。

すべては一次コイルの交流電流から始まります。これによって磁場も交流になります。その後、鉄芯がガイドの役割を果たし、この変化する磁場を2次コイルに流します。この磁場の移動により、2次コイルに新たな交流電流が誘導されます。この新しい電流の電圧は、2つのコイルの単純な巻数比によって決まります。

二次巻線の巻数を増やしたり減らしたりすることで、トランスは電圧を上げたり下げたりすることができます。このシンプルな機能が、グローバルな電力網を可能にしています。この機能により、長距離の効率的な送電と、家庭や機器での安全な電力利用が可能になります。変圧器がなければ、私たちが知っている電気の世界は存在しなかったでしょう。変圧器は、電気と磁気の目に見えない力によって黙々とその役割を果たしている、現代技術の基本的な構成要素なのです。

よくあるご質問