Klasický transformátor se skládá z magnetického obvodu (jádra), ze vstupní (primární) cívky a z výstupní (sekundární) cívky. U složitějších transformátorů může být cívek i více.

Funkce:

- transformace (změna velikosti v určitém poměru) napětí, proudu a impedance;

- galvanické oddělení vstupního (primárního) od výstupního (sekundárního) obvodu.

Princip činnosti:

1. Případ nezatíženého transformátoru:

Na výstup transformátoru není připojen žádný R_z. Ztráty energie v transformátoru nyní pro jednoduchost zanedbáme. Protože výstupní (sekundární) proud I₂ = 0, prochází vstupní (primární) cívkou malý, tzv. Magnetizační proud I_µ, který budí v jádře časově proměnný magnetický tok Φ.

Značná část tohoto toku

      Φ₁₂ = kΦ (k je činitel vazby blízký jedné: 0,95 až 0,98),

která je obepnuta výstupní cívkou s N₂ závity indukuje ve výstupní cívce napětí naprázdno.

      u₂₀ = N₂(ΔΦ₁₂/Δt)

Pro harmonické vstupní napětí

      u₁ = U_1maxsinωt

je magnetizační proud dán vztahem

      i_μ = (U_1max/ωL₁)sin(ωt-π/2)

a je za vstupním napětím zpožděn o 90°.

Magnetický tok Φ je ve fázi s magnetizačním proudem I_µ a jeho maximální hodnota je

      Φ_max = U_1max/ωN₁.

Odtud plyne, že amplituda magnetického toku je nepřímo úměrná frekvenci. Aby nedocházelo ke zkreslování tvaru (průběhu) transformovaného napětí, nesmí být jádro při magnetování přesycováno. To znamená, že magnetická indukce B_max nesmí být překročena ani pro nejnižší kmitočet. Odtud lze odvodit pro výpočet transformátoru důležitý vztah pro efektivní hodnotu nejvyššího napětí:

      U_1ef =( 2π/√2)fN₁B_maxS_Fe

To je přibližně:

      U_1ef =4,44fN₁B_maxS_Fe.

Pro U_20max lze odvodit vztah

      U_20max = (N₂/N₁)kU_1max

Výstupní, sekundární, napětí transformátoru je opět sinusové a při stejném smyslu vinutí cívek je ve fázi se vstupním, primárním, napětím.

Pokud dáme činitel vazby k = 1 (zanedbáme rozptylový tok) a definujeme závitový převod p transformátoru jako

      p = N₁/N₂

a platí vztah

      U₂₀/U₁ = N₂/N₁

dostaneme vztahy

      U₂₀ = U₁/p  a  U₂₀ = (N₂/N₁)U₁.

Napětí se transformují v přímém poměru počtu závitů

2. Případ zatíženého transformátoru

Připojíme-li mezi výstupní svorky transformátoru zatěžovací rezistor R_z, začne téci výstupní proud I₂, který vytvoří v jádru odpovídající střídavý magnetický tok. Protože se však při zatížení výstupního vinutí objevuje též příslušný proud ve vstupní cívce, je magnetický tok výstupního vinutí kompenzován tokem vstupního vinutí.

Magnetické účinky transformovaných proudů na jádro se navzájem ruší. Jádro je bez ohledu na odebíraný proud (transformátorem přenášený výkon) magnetizováno stále jen magnetizačním proudem I_µ. Ztráty v jádře P_Fe nejsou závislé na odebíraném proudu I₂.

Za předpokladu, že v transformátoru nenastávají ztráty energie a magnetizační proud je pouze nepatrnou částí vstupního proudu I₁, platí

      P₁ = P₂

      U₁I₁ = U₂I₂

      U₁/U₂ = I₂/I₁ = p

Odtud plyne

      p = I₂/I₁

Proudy se transformují v převráceném poměru napětí.

Odpor zapojený ve výstupním obvodu R_Z = U₂/I₂ se projevuje na svorkách vstupní cívky průchodem proudu I₁, tedy jako odpor

   R₁ = U₁/I₁ = pU₂(p/I₂) = p²R_Z

   p = √(R₁/R_Z)

Ze vztahu plyne možnost použití transformátoru pro přizpůsobení zatěžovacího odporu ke zdroji signálu tak, aby přenos výkonu byl co nejúčinnější. Vztah platí i pro přizpůsobení impedancí Z.

Ztráty v transformátoru jsou:

1. Ztráty hysterezí P_Fe – jsou důsledkem střídavé magnetizace jádra, způsobené transformovaným střídavým napětím o určité frekvenci. Udávají se pro jednotlivé materiály ve W/kg při určité velikosti B_max (např. Jádra C, určená pro síťové transformátory při B_max = 1,4 T, P_Fe = 5 W/kg).

Protože magnetický tok v jádře nezávisí na přenášeném výkonu, jsou ztráty v jádře nezávislé na zatížení.

2. Ztráty v odporech vinutí P_Cu – vznikají při průchodu proudu cívkami.

Ztráty v odporech vinutí P_Cu jsou přímo úměrné druhé mocnině zatěžovacího proudu.

Účinnost transformátoru

    η = P₂/P₁

Závislost ztrát a účinnosti transformátoru na zatěžovacím proudu:

Účinnost transformátoru dosahuje maxima při zatížení, při kterém P_Fe = P_Cu.

Maximální účinnost malých transformátorů bývá 60 až 70 %, velké (silové) dosahují účinnosti kolem 95 %.