特別な変圧器とアプリケーション

インピーダンス整合

変圧器は電圧と電流を異なるレベルにステップすることができ、電力は一次巻線と二次巻線の間で同等に転送されるため、負荷のインピーダンスを異なるレベルに「変換」するために使用できます。その最後のフレーズは説明に値するので、それが何を意味するのかを調べてみましょう。

負荷の目的は（通常）、それが放散する力で生産的な何かをすることです。抵抗性発熱体の場合、消費電力の実際的な目的は何かを加熱することです。

負荷は、特定の最大量の電力を安全に消費するように設計されていますが、電力定格が等しい2つの負荷は必ずしも同じではありません。次の2つの1000ワットの抵抗性発熱体について考えてみます。

発熱体は、さまざまな電圧および電流定格で1000ワットを消費します。

両方のヒーターは正確に1000ワットの電力を消費しますが、異なる電圧および電流レベル（250ボルトと4アンペア、または125ボルトと8アンペアのいずれか）で消費します。オームの法則を使用してこれらの発熱体の必要な抵抗（R =E / I）を決定すると、それぞれ62.5Ωと15.625Ωの数値に到達します。

これらがAC負荷である場合、単純な抵抗ではなくインピーダンスの観点から電流に対する反対を参照する場合がありますが、この場合は、それがすべてで構成されています（リアクタンスなし）。 250ボルトのヒーターは125ボルトのヒーターよりもインピーダンスの高い負荷であると言えます。

250ボルトのヒーターエレメントを125ボルトの電力システムで直接操作したい場合は、がっかりすることになります。インピーダンス（抵抗）が62.5Ωの場合、電流は2アンペア（I =E / R; 125 / 62.5）になり、消費電力は250ワット（P =IE; 125 x 2）、つまり1-定格電力の4分の1。

ヒーターのインピーダンスと電源の電圧が一致せず、ヒーターから完全な定格消費電力を得ることができませんでした。

しかし、すべての希望が失われるわけではありません。ステップアップトランスを使用すると、下の図のように、125ボルトの電力システムで250ボルトのヒーターエレメントを操作できます。

昇圧変圧器は、125V電源から1000ワット250Vヒーターを作動させます。

インピーダンス、電流、電圧の変換比

変圧器の巻線の比率は、電圧のステップアップを提供します 現在のステップダウンでは、このシステムで正しく動作するために、他の点では不一致の負荷が必要です。一次回路の数値をよく見てください：8アンペアで125ボルト。電源装置が「知っている」限り、62.5Ωの負荷ではなく、125ボルトで15.625Ω（R =E / I）の負荷に電力を供給します！

一次巻線の電圧と電流の数値は、負荷自体の実際の62.5Ωではなく、15.625Ωの負荷インピーダンスを示しています。つまり、昇圧トランスは電圧と電流を変換するだけでなく、インピーダンスも変換します。 同様に。

インピーダンスの変換比は、電圧/電流変換比の2乗であり、巻線インダクタンス比と同じです。

これは、2：1の昇圧トランスの例と62.5Ωから15.625Ωのインピーダンス比（4：1の比、2：1の2乗）と一致します。インピーダンス変換は、電力システムが直接そうするのに適切な電圧にない場合でも、負荷がその最大定格電力を放散することを可能にするため、変圧器の非常に有用な能力です。

最大電力伝達定理の変圧器への適用

ネットワーク分析の研究から、最大電力伝達定理を思い出してください。 、これは、負荷抵抗が電力を供給するネットワークのテブナン/ノートン抵抗に等しい場合に、負荷抵抗によって最大量の電力が消費されることを示しています。その定義の「抵抗」を「インピーダンス」という言葉に置き換えると、その定理のACバージョンが得られます。

負荷から理論上の最大消費電力を取得しようとしている場合は、負荷インピーダンスとソース（テブナン/ノートン）インピーダンスを適切に一致させる必要があります。これは一般に、ラジオ送信機/アンテナやオーディオアンプ/スピーカーシステムなどの特殊な電気回路でより懸念されます。

オーディオアンプシステムを見て、それがどのように機能するかを見てみましょう:(下の図）

インピーダンスが500Ωの増幅器は、最大電力よりはるかに少ない電力で8Ωを駆動します。

内部インピーダンスが500Ωの場合、アンプはインピーダンスが500Ωの負荷（スピーカー）にのみフルパワーを供給できます。このような負荷は、同じ量の電力を消費する8Ωスピーカーよりも高い電圧を落とし、消費する電流が少なくなります。

図のように8Ωスピーカーが500Ωアンプに直接接続されている場合、インピーダンスの不一致 パフォーマンスが非常に低下します（ピーク電力が低くなります）。さらに、アンプは、低インピーダンススピーカーを駆動しようとする熱の形で、その公平なシェア以上の電力を消費する傾向があります。

このシステムをより良く機能させるために、トランスを使用してこれらの不整合インピーダンスを一致させることができます。高インピーダンス（高電圧、低電流）の電源から低インピーダンス（低電圧、高電流）の負荷に移行するため、降圧変圧器を使用する必要があります。

インピーダンス整合トランスは、500Ωのアンプを8Ωのスピーカーに適合させて最大の効率を実現します。

インピーダンス整合の説明

500：8のインピーダンス変換比を得るには、500：8の平方根（62.5：1、つまり7.906：1の平方根）に等しい巻線比が必要です。

このような変圧器を設置すると、スピーカーはアンプに適切な程度の負荷をかけ、最大電力伝達定理を満たし、負荷への最も効率的な電力供給を実現するために、正しい電圧および電流レベルで電力を引き出します。この容量でのトランスの使用は、インピーダンス整合と呼ばれます。 。

マルチスピード自転車に乗ったことのある人なら誰でも、インピーダンス整合の原理を直感的に理解できます。自転車のクランクを特定の速度（毎分約60〜90回転）で回転させると、人間の脚が最大の力を発揮します。

その回転速度より上または下では、人間の脚の筋肉は発電効率が低くなります。自転車の「ギア」の目的は、ライダーの脚をライディングコンディションにインピーダンス整合させて、常に最適な速度でクランクを回転させることです。

自転車が「トップ」ギアにシフトしているときにライダーが動き始めようとすると、ライダーは動き出すのが非常に困難になります。ライダーが弱いからですか？

いいえ、そのトップギアの自転車のチェーンとスプロケットの高い昇圧比は、条件（克服するための多くの慣性）とそれらの脚（最大出力のために60-90RPMで回転する必要がある）の間の不一致を提示するためです。

一方、低すぎるギアを選択すると、ライダーはすぐに移動できますが、達成できる最高速度は制限されます。繰り返しになりますが、速度の欠如は自転車選手の足の衰弱を示していますか？

いいえ、選択したギアの速度比が低いと、条件（低負荷）とライダーの脚（90 RPMより速く回転するとパワーが失われる）の間に別のタイプの不一致が生じるためです。これは、電源と負荷の場合とほとんど同じです。システム効率を最大化するには、インピーダンス整合が必要です。

AC回路では、変圧器は自転車のスプロケットやチェーン（「ギア」）と同じマッチング機能を実行して、他の点では不一致のソースと負荷をマッチングします。

インピーダンス整合トランス

インピーダンス整合トランスは、構造や外観が他のタイプのトランスと基本的に異なりません。次の写真は、可聴周波数アプリケーション用の小さなインピーダンス整合トランス（幅約2センチメートル）を示しています。

可聴周波数インピーダンス整合トランス。

別のインピーダンス整合トランスは、このプリント回路基板の右上隅、抵抗R ₂ のすぐ左にあります。 およびR ₁ 。 「T1」というラベルが付いています：

プリント回路基板に取り付けられたオーディオインピーダンス整合トランス、右上。

潜在的な変圧器

変圧器は、電気計装システムでも使用できます。変圧器は電圧と電流をステップアップまたはステップダウンする機能があり、それらが提供する電気的絶縁により、電気計装を高電圧、高電流の電力システムに接続する方法として機能します。

13.8 kVの電力システムの電圧（アメリカの業界で非常に一般的な配電電圧）を正確に測定したいとします。

電圧計による高電圧の直接測定は、潜在的な安全上の問題です。

13,800ボルトのACを直接測定できる電圧計の設計、設置、および保守は簡単な作業ではありません。電圧計自体の設計は言うまでもなく、13.8kVの導体をインストルメントパネルに持ち込むことによる安全上の問題だけでも深刻です。

ただし、高精度の降圧変圧器を使用することで、13.8 kVを一定の比率で安全なレベルの電圧まで下げ、機器の接続から隔離して、計測システムの安全性をさらに高めることができます。

計装アプリケーション：「電位変圧器」は、危険な高電圧を従来の電圧計に適用できる安全な値に正確にスケーリングします。

これで、電圧計は実際のシステム電圧の正確な分数または比率を読み取り、そのスケールは、電圧を直接測定しているかのように読み取るように設定されています。

変圧器は機器の電圧を安全なレベルに保ち、電力システムから電気的に絶縁するため、電力線と機器または機器の配線との間に直接接続はありません。この容量で使用される場合、変圧器は計器変圧器と呼ばれます。 、または単に PT 。

潜在的な変圧器は、可能な限り正確な電圧降圧比を提供するように設計されています。正確な電圧調整を支援するために、負荷は最小限に抑えられます。電圧計は、PTから流れる電流をできるだけ少なくするために、高い入力インピーダンスを持つように作られています。

ご覧のとおり、安全性とPTの回路からの切断を容易にするために、ヒューズがPTの一次巻線と直列に接続されています。

PTの標準的な二次電圧は、フル定格の電力線電圧の場合、120ボルトACです。 PTに付随する標準の電圧計の範囲は150ボルト、フルスケールです。

カスタム巻線比のPTは、あらゆる用途に合わせて製造できます。これは、PTがシステム電圧をこの標準的な機器レベルまで下げるサイズになるため、実際の電圧計機器自体の業界標準化に適しています。

変流器

同じ考え方で、変圧器を使用して電力線を流れる電流を降圧できるため、安価な電流計で大電流を安全かつ簡単に測定できます。もちろん、そのような変圧器は電力線と直列に接続されます。

計装アプリケーション：「変流器」は、大電流を従来の電流計に適用可能な値まで下げます。

PTは降圧デバイスですが、変流器 （または CT ）は（電圧に関して）ステップアップデバイスであり、ダウンするために必要なものです。 電力線電流。多くの場合、CTは、電力線導体が通るドーナツ型のデバイスとして構築され、電力線自体が1ターンの一次巻線として機能します。

測定する電流導体は、開口部に通されています。リード線では、スケールダウンされた電流を利用できます。

一部のCTはヒンジで開くように作られているため、導体をまったく乱すことなく、電力導体の周囲に挿入できます。 CTの業界標準の2次電流は、0〜5アンペアACの範囲です。 PTと同様に、CTは、ほとんどすべてのアプリケーションに適合するようにカスタム巻線比で作成できます。

それらの「全負荷」二次電流は5アンペアであるため、CT比は通常、次のように全負荷一次アンペアから5アンペアで表されます。

写真に示されている「ドーナツ」CTの比率は50：5です。つまり、トーラスの中心を通る導体が50アンペアの電流（AC）を流している場合、CTの巻線に5アンペアの電流が誘導されます。

CTは、低インピーダンス負荷である電流計に電力を供給するように設計されており、電圧昇圧トランスとして巻かれているため、決して 開回路の二次巻線で操作してください。

この警告に注意を怠ると、CTが非常に高い二次電圧を生成し、機器や人員に同様に危険をもたらします。電流計の計装の保守を容易にするために、短絡スイッチがCTの2次巻線と並列に取り付けられ、電流計が修理のために取り外されるたびに閉じられることがよくあります。

短絡スイッチを使用すると、電流計をアクティブな変流器回路から取り外すことができます。

意図的にするのは奇妙に思えるかもしれませんが 電力システムコンポーネントを短絡します。これは完全に適切であり、変流器を使用する場合は非常に必要です。

空芯トランス

高周波回路でよく見られる別の種類の特殊な変圧器は、空芯です。 変成器。その名の通り、空芯変圧器の巻線は非磁性体、通常は何らかの材料の中空管に巻き付けられています。

このようなトランスの巻線間の結合度（相互インダクタンス）は、同等の鉄心トランスの数分の1ですが、強磁性コアの望ましくない特性（渦電流損失、ヒステリシス、飽和など）は完全に異なります。排除されました。

鉄心のこれらの影響が最も問題となるのは、高周波アプリケーションです。

空芯変圧器は、円筒形（a）またはトロイダル形（b）に巻くことができます。センタータップされたプライマリとセカンダリ（a）。トロイダルフォームにバイファイラー巻線（b）。

DC絶縁が不要な場合、オーバー巻線のない内側のタップ付きソレノイド巻線は、不均等なインピーダンスに一致する可能性があります。絶縁が必要な場合は、主巻線の一端に上巻線を追加します。空芯トランスは、鉄心損失が高すぎる無線周波数で使用されます。

多くの場合、空芯トランスはコンデンサと並列に接続され、共振に合わせて調整されます。オーバーワインディングは、そのようなアプリケーションの1つとして、無線アンテナとアースの間に接続されます。二次側は可変コンデンサとの共振に調整されています。

出力は、増幅または検出のためにタップポイントから取得することができます。ラジオ受信機には小型のミリサイズの空芯トランスが使用されています。最大の無線送信機は、メートルサイズのコイルを使用する場合があります。シールドされていない空芯ソレノイドトランスは、浮遊結合を防ぐために互いに直角に取り付けられています。

トランスがトロイド形状に巻かれている場合、浮遊結合は最小限に抑えられます。トロイダル空芯トランスは、特にバイファイラーの場合、より高度な結合も示します。 巻線。バイファイラー巻線は、わずかにねじれたワイヤーのペアから巻かれています。

これは、1：1の巻数比を意味します。 3本または4本のワイヤは、1：2およびその他の積分比でグループ化できます。巻線はバイファイラーである必要はありません。これにより、任意の巻数比が可能になります。ただし、結合度は低下します。トロイダル空芯変圧器は、VHF（超短波）作業を除いてまれです。

高周波には、鉄粉やフェライトなどの空気以外のコア材料が適しています。

テスラコイル

空芯変圧器の注目すべき例の1つは、テスラコイルです。 、回転磁界ACモーター、多相AC電源システム、および無線技術の多くの要素の発明者でもあったセルビアの電気の天才ニコラテスラにちなんで名付けられました。

テスラコイルは、非常に高い電圧を生成するために使用される共振高周波昇圧トランスです。

テスラの夢の1つは、彼のコイルテクノロジーを使用して、電線を必要とせずに電力を分配し、アンテナを使用して受信して負荷に伝導できる電波の形で電力を放送することでした。

テスラコイルの基本的な回路図を下の図に示します。

テスラコイル：いくつかの重い一次ターン、多くの二次ターン。

コンデンサは、トランスの一次巻線と組み合わせて、タンク回路を形成します。二次巻線は一次巻線のすぐ近くで、通常は同じ非磁性体の周りに巻かれています。一次回路を「励起」するためのいくつかのオプションがありますが、最も単純なのは、高電圧、低周波数のAC電源とスパークギャップです。

スパークギャップドライブを備えたテスラコイルのシステムレベル図。

高電圧、低周波のAC電源の目的は、一次タンク回路を「充電」することです。スパークギャップが発生すると、その低インピーダンスがコンデンサ/一次コイルタンク回路を完成させるように作用し、共振周波数で発振できるようにします。

「RFC」インダクタは「無線周波数チョーク」であり、AC電源が発振タンク回路に干渉するのを防ぐために高インピーダンスとして機能します。

テスラコイルトランスの2次側もタンク回路であり、放電端子とアース間に存在する寄生（浮遊）容量に依存して、2次巻線のインダクタンスを補完します。

最適な動作のために、この二次タンク回路は一次回路と同じ共振周波数に調整され、共振発振中にコンデンサとインダクタの間だけでなく、一次巻線と二次巻線の間でもエネルギーが交換されます。視覚的な結果は壮観です：

テスラコイルからの高電圧高周波放電。

テスラコイルは、主にノベルティデバイスとしての用途があり、高校の科学博覧会、地下室のワークショップ、時折低予算のサイエンスフィクション映画に登場します。

テスラコイルは非常に危険なデバイスである可能性があることに注意してください。すべての電気火傷と同様に、高周波（「RF」）電流によって引き起こされる火傷は、高温の物体や炎との接触によって引き起こされる皮膚の火傷とは異なり、非常に深くなる可能性があります。

テスラコイルの高周波放電には、人間の神経系の「衝撃知覚」周波数を超えるという奇妙な特性がありますが、これは、テスラコイルがあなたを傷つけたり殺したりすることができないという意味ではありません。自分でテスラコイルの作成に着手する場合は、経験豊富なテスラコイル実験者の支援を求めることを強くお勧めします。

飽和反応器

これまで、さまざまなレベルの電圧、電流、さらにはインピーダンスをある回路から別の回路に変換するためのデバイスとして、変圧器について説明してきました。次に、これをまったく異なる種類のデバイスとして見ていきます。小さな電気信号が制御を発揮できるようにするデバイスです。 はるかに大量の電力を超えます。このモードでは、変圧器が増幅器として機能します。 。

私が言及しているデバイスは、可飽和コアリアクトルと呼ばれています。 、または単に飽和リアクトル 。実際には、これは実際にはトランスではなく、同じ鉄心に巻かれた2番目の巻線にDC電流を流すことでインダクタンスを変化させることができる特殊な種類のインダクタです。

鉄共振変圧器と同様に、可飽和リアクトルは磁気飽和の原理に依存しています。鉄などの材料が完全に飽和している場合（つまり、そのすべての磁区が加えられた磁化力と整列している場合）、磁化巻線を流れる電流がさらに増加し​​ても、磁束はそれ以上増加しません。

インダクタンスに関するレビュー

さて、インダクタンスは、インダクタが反対方向に電圧を発生させることによって電流の変化にどれだけうまく対抗するかの尺度です。この反対の電圧を生成するインダクタの能力は、電流の変化に起因するインダクタ内部の磁束の変化、およびインダクタの巻線の巻数に直接関係しています。

インダクタのコアが飽和している場合、電流がさらに増加し​​ても磁束は発生しないため、電流の変化に対抗して電圧が誘導されることはありません。言い換えると、インダクタは、コアが磁気的に飽和すると、インダクタンス（電流の変化に対抗する能力）を失います。

インダクタのインダクタンスが変化すると、AC電流に対するリアクタンス（およびインピーダンス）も変化します。定電圧源のある回路では、これにより電流が変化します：

Lのインダクタンスが変化する場合、Z _L それに応じて変化するため、回路電流が変化します。

飽和反応器の操作

可飽和リアクトルは、別の巻線を流れる電流によって生成された強い磁場でコアを飽和状態にすることにより、この効果を利用します。原子炉の「電力」巻線はAC負荷電流を流す巻線であり、「制御」巻線はコアを飽和状態にするのに十分な強さのDC電流を流す巻線です。

DCは、制御巻線を介してコアを飽和させます。したがって、電力巻線のインダクタンス、インピーダンス、および電流を変調します。

上の回路図に示されている奇妙な外観の変圧器の記号は、可飽和コアリアクトルを表しています。上部の巻線はDC制御巻線で、下部の巻線は制御されたAC電流が流れる「電力」巻線です。

DC制御電流を増やすと、炉心でより多くの磁束が生成され、炉心が飽和状態に近づきます。これにより、電力巻線のインダクタンスが減少し、インピーダンスが減少し、負荷への電流が増加します。したがって、DC制御電流は制御を発揮することができます。 負荷に供給されるAC電流を超えます。

示されている回路は機能しますが、あまりうまく機能しません。最初の問題は、可飽和リアクトルの自然な変圧器の動作です。電力巻線を流れるAC電流は、制御巻線に電圧を誘導し、DC電源に問題を引き起こす可能性があります。

また、可飽和リアクトルは一方向にのみAC電力を調整する傾向があります。ACサイクルの半分では、両方の巻線からのmmfが加算されます。残りの半分では、それらは減算します。したがって、ACサ​​イクルの半分の間、コアは他の半分よりも多くの磁束を持ち、そのサイクルの半分で最初に飽和し、負荷電流を他の方向よりも一方向に流しやすくなります。

幸いなことに、両方の問題は少しの工夫で克服できます：

位相がずれたDC制御巻線により、ACを対称的に制御できます。

2つのリアクトルに位相ドットが配置されていることに注意してください。電力巻線は「同相」であり、制御巻線は「位相がずれています」。両方のリアクトルが同一である場合、電力巻線を流れる負荷電流によって制御巻線に誘導される電圧は、バッテリー端子でゼロに相殺されるため、前述の最初の問題が解消されます。

さらに、両方の原子炉を通るDC制御電流は、炉心を介して異なる方向に磁束を生成するため、一方の原子炉はAC電力の一方のサイクルでより飽和し、もう一方の原子炉はもう一方のサイクルでより飽和します。 AC電源が対称的に「スロットル」されるように各半サイクル。

制御巻線のこの位相調整は、示されているように2つの別々のリアクトルを使用するか、巻線とコアのインテリジェントなレイアウトを備えた単一のリアクター設計で実現できます。

可飽和リアクトル技術は、より一般的には磁気増幅器として知られるコンパクトなパッケージで、回路基板レベルまで小型化されています。 。

私は個人的にこれが魅力的だと感じています。通常は物理的に壊れやすい真空管または電気的に「壊れやすい」半導体デバイスを使用する必要がある増幅（1つの電気信号が別の信号を制御する）の効果は、物理的および電気的に頑丈なデバイスで実現できます。

磁気増幅器には、サイズ、重量、非線形性、帯域幅（周波数応答）など、より壊れやすいものに比べて欠点がありますが、実用的ではないにしても、その完全な単純さはある程度の評価をもたらします。

可飽和コアリアクトルは、あまり一般的には「可飽和コアインダクタ」またはインダクタとして知られていません。 。

Scott-Tトランスフォーマー

Nikola Teslaのオリジナルの多相電力システムは、簡単に構築できる2相コンポーネントに基づいていました。ただし、伝送距離が長くなると、伝送線路の効率が高い3相システムが目立つようになります。 2φと3φの両方のコンポーネントが何年もの間共存していました。

Scott-Tトランス接続により、モーターやオルタネーターなどの2φおよび3φコンポーネントを相互接続できました。山本と山口：

1896年、ゼネラルエレクトリックはナイアガラフォールズプロジェクトからニューヨーク州バッファローに電力を送電するために、11kVで動作する35.5km（22マイル）の三相送電線を建設しました。スコット-T変換を使用して、2相発電電力を3相に変更しました。

Scott-Tトランスフォーマーは2-φを3-φに、またはその逆に変換します。

上の図のScott-Tトランスセットは、回路の3φ側にあるセンタータップ付きトランスT1と86.6％タップ付きトランスT2で構成されています。両方のトランスのプライマリは2φ電圧に接続されています。

T2 86.6％二次巻線の一方の端は3φ出力で、もう一方の端はT1二次センタータップに接続されています。 T1セカンダリの両端は他の2つの3-φ接続です。

2φナイアガラ発電機の電力を適用すると、より効率的な3φ伝送ライン用の3φ出力が生成されました。最近では、古い2φモーターを駆動するための2φ出力を生成するために3φ電力を適用することがより一般的です。

次の図では、極性表記と複素表記の両方のベクトルを使用して、Scott-Tが2φの電圧のペアを3φに変換することを証明しています。まず、3φの電圧の1つは、変圧器のT1比が1：1であるため、2φの電圧と同じです。V _P12 =V _2P1 。

T1センタータップ付きセカンダリは、0.5V _2P1 の反対の極性を生成します 二次端に。

この∠0°は、KVL方程式V ₃₁ により、T2二次電圧からベクトル的に差し引かれます。 、V ₂₃ 。

T2の2次電圧は0.866V _2P2 86.6％のタップによる。 2-φのこの第2フェーズは∠90°であることに注意してください。この0.866V _2P2 V ₃₁ に追加されます 、V ₂₃ で減算 KVL方程式で。

Scott-Tトランスフォーマーの2φから3φへの変換式。

キルヒホッフ電圧ループの極性を追跡するために、このACのみの回路全体に「DC」極性を示します。 ∠0°を引くことは、∠180°を加えることと同じです。結論は、∠90°の86.6％を∠180°の50％に追加すると、∠120°になります。 ∠180°の50％から∠90°の86.6％を引くと、∠-120°または∠240°になります。

前の図の方程式のグラフによる説明。

上の図では、（a）の2-φベクトルをグラフで示しています。 （b）では、ベクトルはトランスフォーマーT1とT2によってそれぞれ0.5と0.866にスケーリングされます。 （c）で1∠120°=-0.5∠0°+0.866∠90°、および1∠240°=-0.5∠0°-0.866∠90°。 3つの出力フェーズは、入力1∠0°（a）とともに、（c）から1∠120°と1∠240°です。

Linear Variable Differential Transformer

A linear variable differential transformer (LVDT) has an AC driven primary wound between two secondaries on a cylindrical air core form (figure below). A movable ferromagnetic slug converts the displacement to a variable voltage by changing the coupling between the driven primary and secondary windings.

The LVDT is a displacement or distance measuring transducer. Units are available for measuring displacement over a distance of a fraction of a millimeter to a half a meter. LVDT’s are rugged and dirt resistant compared to linear optical encoders.

LVDT:linear variable differential transformer.

The excitation voltage is in the range of 0.5 to 10 VAC at a frequency of 1 to 200 Khz. A ferrite core is suitable at these frequencies. It is extended outside the body by an non-magnetic rod. As the core is moved toward the top winding, the voltage across this coil increases due to increased coupling, while the voltage on the bottom coil decreases.

If the core is moved toward the bottom winding, the voltage on this coil increases as the voltage decreases across the top coil. Theoretically, a centered slug yields equal voltages across both coils. In practice leakage inductance prevents the null from dropping all the way to 0 V.

With a centered slug, the series-opposing wired secondaries cancel yielding V₁₃ =0. Moving the slug up increases V₁₃ 。 Note that it is in-phase with with V₁ , the top winding, and 180° out of phase with V₃ , bottom winding.

Moving the slug down from the center position increases V₁₃ 。 However, it is 180° out of phase with with V₁ , the top winding, and in-phase with V₃ , bottom winding. Moving the slug from top to bottom shows a minimum at the center point, with a 180° phase reversal in passing the center.

レビュー：

• Transformers can be used to transform impedance as well as voltage and current. When this is done to improve power transfer to a load, it is called impedance matching 。
• A Potential Transformer (PT) is a special instrument transformer designed to provide a precise voltage step-down ratio for voltmeters measuring high power system voltages.
• A Current Transformer (CT) is another special instrument transformer designed to step down the current through a power line to a safe level for an ammeter to measure.
• An air-core transformer is one lacking a ferromagnetic core.
• A Tesla Coil is a resonant, air-core, step-up transformer designed to produce very high AC voltages at high frequency.
• A saturable reactor is a special type of inductor, the inductance of which can be controlled by the DC current through a second winding around the same core. With enough DC current, the magnetic core can be saturated, decreasing the inductance of the power winding in a controlled fashion.
• A Scott-T transformer converts 3-φ power to 2-φ power and vice versa.
• A linear variable differential transformer , also known as an LVDT, is a distance measuring device. It has a movable ferromagnetic core to vary the coupling between the excited primary and a pair of secondaries.

関連するワークシート：

• AC Metrology Worksheet
• Impedance Matching With Transformers Worksheet