Waarom transformatoren falen op DC: De risico's uitgelegd

Wat er gebeurt wanneer de primaire spoel van een transformator wordt aangesloten op een DC-bron?

Een transformator is een apparaat dat de spanning of stroom van wisselstroom (AC) omhoog of omlaag brengt zonder de frequentie van de bron te veranderen. Transformatoren werken enkel op wisselstroom en zijn niet bedoeld voor gelijkstroom (DC). In dit artikel laten we met berekeningen zien wat er gebeurt als we een transformator aansluiten op AC en vervolgens op DC.

Transformator aangesloten op AC-voorziening

Stel we hebben een transformator met de volgende specificaties aangesloten op het AC-net:

• Primairspanning (V₁) = 230 V
• Weerstand (R₁) = 10 Ω
• Inductie (L) = 0,4 H
• Bronfrequentie (f) = 50 Hz

We berekenen de impedantie (Z) van de primaire spoel in een inductieve schakeling:

Inductieve reactantie: X_L = 2πfL = 2 × 3,1415 × 50 × 0,4 = 125,67 Ω

Impedantie: Z = √(R² + X_L²) = √(10² + 125,67²) = 126,1 Ω

Primairstroom: I = V / Z = 230 / 126,1 = 1,82 A

Bij AC-bevoeding is de primairstroom dus slechts 1,82 A dankzij de inductieve reactantie die de stroom beperkt.

Transformator aangesloten op DC-voorziening

Nu sluiten we dezelfde transformator aan op een DC-bron van 230 V. Omdat DC geen frequentie heeft (f = 0), is de inductieve reactantie X_L = 0. De enige weerstand is de ohmse weerstand van de koperen draad (10 Ω).

Primairstroom bij DC: I = V / R = 230 / 10 = 23 A

De stroom is meer dan 12 keer hoger dan bij AC! Deze extreme stroom zal de primaire wikkeling direct verbranden.

Waarom een transformator niet op DC kan werken

Er zijn twee fundamentele redenen:

1. Geen tegen-EMF (back EMF): Bij DC is de stroom constant (na een korte overgang), dus di/dt = 0. Volgens de wet van Faraday (e = L·di/dt) is de geïnduceerde spanning nul. De spoel gedraagt zich als een kortsluiting.
2. Kernverzadiging: De constante stroom produceert een constant magnetisch flux. Zonder wisselend flux ontstaat er geen geïnduceerde spanning in de secundaire spoel. De kern verzadigt, wat de inductie verder doet dalen en de stroom nog meer laat stijgen.

De vermogensverlies P = I²R wordt enorm (23² × 10 = 5.290 W), wat leidt tot oververhitting, isolatieschade en mogelijk brand of explosie.

Onder welke voorwaarden kan DC veilig worden toegepast?

Er zijn twee uitzonderingen waar een transformator wel met een DC-achtige spanning kan worden gebruikt:

• Pulsende DC (bijv. SMPS): De flux wordt periodiek gereset door de pulserende aard van de stroom. Dit wordt gebruikt in geschakelde voedingen.
• Hoge serieweerstand: Door een hoge weerstand in serie met de primaire spoel te plaatsen, wordt de stroom beperkt tot een veilige waarde. De transformator functioneert dan niet meer als spanningsomzetter, maar kan bijvoorbeeld als stroombeklemmer dienen.

Let op: Zonder deze maatregelen is het aansluiten van een transformator op DC levensgevaarlijk voor het apparaat en de omgeving.