سیم‌پیچ اولیه و ثانویه‌ی یک اتوترانسفورماتور، از نظر الکتریکی و مغناطیسی به‌هم متصل می‌شوند و هزینه را نسبت به ترانسفورماتورهای معمولی، کاهش می‌دهند.
برخلاف ترانسفوماتور ولتاژ پیشین، که دارای دو سیم‌پیچ ایزوله‌شده‌ی الکتریکی به‌نام‌های اولیه و ثانویه است؛ یک ترانسفورماتور خودکار، تنها دارای یک سیم‌پیچ تک ولتاژ است؛ که در هردو طرف مشترک می‌باشد. این سیم‌پیچ منفرد دارای یک “نقطه‌ی وسط” در بین نقاط مختلفی که در امتداد آن وجود دارد؛ می‌باشد؛ تا درصدی از منبع ولتاژ اولیه را برای بار ثانویه، تامین نماید. پس اتوترانسفورماتور دارای یک هسته‌ی مغناطیسی معمولی است؛ اما فقط یک سیم‌پیچ دارد؛ که در مدارهای اولیه و ثانویه، مشترک است.
بنابراین، در اتوترانسفورماتور سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه به‌صورت الکتریکی و مغناطیسی به‌هم متصل می‌شوند. مزیت اصلی این نوع طراحی ترانسفورماتور این است؛ که می‌توان آن را با همان نرخ VA بسیار ارزان‌تر ساخت؛ اما بزرگترین عیب اتوترانسفورماتور این است؛ که عایق سیم‌پیچ اولیه/ثانویه ترانسفورماتور دو سیم‌پیچه‌ی مرسوم را ندارد.
بخشی از سیم‌پیچ که به‌عنوان قسمت اولیه‌ی ترانسفورماتور تعیین شده‌است؛ به منبع توان AC متصل می‌شود و قسمت ثانویه، بخشی از این سیم‌پیچ اولیه است. همچنین می‌توان از یک اتوترانسفورماتور برای افزایش یا کاهش ولتاژ تغذیه با معکوس‌کردن اتصالات، استفاده‌کرد. اگر سیم‌پیچ اولیه، سیم‌پیچ کل باشد و به منبع تغذیه نیز متصل باشد و مدار ثانویه تنها به دو سر بخشی از سیم‌پیچ اتصال داشته‌باشد؛ پس ولتاژ ثانویه، “کاهشی” است؛ همانطور که در زیر نشان داده شده‌است.
طراحی اتوترانسفورماتور
هنگامی‌که یک جریان اولیه، IP از طریق سیم‌پیچ منفرد در جهت فلش، همانطور که نشان داده شده‌است؛ شارش می‌یابد؛ جریان ثانویه، IS در جهت مخالف با آن خواهدبود. از این‌رو، در بخشی از سیم‌پیچ که ولتاژ ثانویه، VS را تولید می‌کند؛ شارش جریان به سمت خارج از سیم‌پیچ بوده و برابر با اختلاف IP و IS است.
یک اتوترانسفورماتور، همچنین می‌تواند با بیش از یک نقطه‌ی سروسط ساخته‌شود. از ترانسفورماتورهای خودکار می‌توان برای ارائه‌ی نقاط ولتاژ مختلف در طول سیم‌پیچ آن یا افزایش ولتاژ تغذیه، باتوجه به ولتاژ منبع تغذیه، VP استفاده‌کرد.
اتوترانسفورماتور با چندین سر وسط
روش استاندارد برای علامت‌گذاری سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور خودکار، برچسب‌گذاری آن با حروف بزرگ است. برای مثال، A، B، Z و… برا شناسایی انتهای منابع. درحالت کلی، اتصال خنثی مشترک را با N یا n برچسب‌گذاری می‌کنند. برای نقاط وسط ثانویه، پسوندهای عددی استفاده می‌شود؛ تا تمام نقاط وسط در امتداد سیم‌پیچ اولیه‌ی اتوترانسفورماتورها، مشخص شوند. این اعداد معمولا از عدد “1” آغاز شده و برای مشخص‌کردن تمام نقاط وسط به‌صورت صعودی افزایش می‌یابند؛ همانطورکه در زیر آمده‌است.
علامت‌گذاری پایانه‌ی اتوترانسفورماتور
یک ترانسفورماتور، عمدتا برای تنظیم ولتاژهای خط استفاده می‌شود؛ تا مقدار آن را تغییر داده یا ثابت نگه‌دارد. اگر تنظیم ولتاژ با مقدار کمی، بالا و پایین شود؛ یعنی نسبت ترانسفورماتور کوچک است و VS و VP تقریبا برابر بوده و برای IS و IP نیز همین‌گونه است.
بنابراین، بخشی از سیم‌پیچ که حامل اختلاف بین دو جریان است؛ می‌تواند از هسته‌ی رسانای بسیار کوچکتری ساخته‌شود. با کم‌بودن جریان‌ها، در هزینه نسبت به ترانسفورماتور دوسیم‌پیچی معادل، صرفه‌جویی می‌شود.
با این‌حال، رگولاسیون، اندوکتانس نشتی، اندازه‌ی فیزیکی ( از آنجایی‌که سیم‌پیچ دومی وجود ندارد) یک ترانسفورماتور خودکار برای یک نرخ VA یا KVA، بسیار کمتر از ترانسفورماتور دارای دو سیم‌پیچ است.
اتوترانسفورماتورها مشخصا از ترانسفورماتورهای دو سیم‌پیچی مرسوم برای یک نرخ VA ارزان‌تر می‌باشند. هنگام تصمیم‌گیری برای استفاده از یک اتوترانسفورماتور، معمولا هزینه‌ی آن را با یک نوع دو سیم‌پیچی معادل مقایسه می‌کنیم.
این کار با مقایسه‌ی مقدار مس ذخیره‌شده در سیم‌پیچ، انجام می‌شود. اگر نسبت “n” به‌عنوان نسبت ولتاژ کمتر به بیشتر تعریف‌شود؛ می‌توان نشان‌داد که مس ذخیره‌شده برابر با n*100% است. برای مثال، ذخیره‌ی مس برای دو اتوترانسفورماتور به‌صورت زیر است:
مثال 1- اتوترانسفورماتور
برای افزایش ولتاژ از 220 ولت به 250 ولت، به یک ترانسفورماتور خودکار نیاز است. تعداد کل دورهای سیم‌پیچ روی سیم‌پیچ اصلی ترانسفورماتور 2000 است. موقعیت نقطه‌ی سر وسط اولیه، جریان‌های اولیه و ثانویه را در زمانی‌که خروجی، 10 کیلو ولت آمپر است و مقدار ذخیره‌سازی مس را تعیین کنید.
پس، جریان اولیه برابر با 45.4 آمپر و جریان ثانویه‌ی کشیده‌شده توسط بار، برابر با 40 آمپر بوده و 5.4 آمپر از سیم‌پیچ مشترک عبور می‌کند. مقدار ذخیره‌سازی آهن برابر با 88% است.
معایب اتوترانسفورماتور
عیب اصلی اتوترانسفورماتور این است که ایزوله‌سازی سیم‌پیچ اولیه نسبت به سیم‌پیچ ثانویه ترانسفورماتور دوسیم‌پیچه‌ی مرسوم را ندارد. پس یک ترانسفورماتور نمی‌تواند به‌طور ایمن، برای کاهش ولتاژهای بالاتر به ولتاژهای بسیار کوچکتر و مناسب برای بارهای بسیار کوچک، استفاده‌شود.
اگر سیم‌پیچ جانبی ثانویه، مدارباز شود؛ جریان بار از سیم‌پیچ اولیه عبور نمی‌کند و عمل ترانسفورماتور متوقف می‌شود و درنتیجه، ولتاژ اولیه، کاملا به پایانه‌های ثانویه اعمال می‌شود.
اگر مدار ثانویه، شرایط اتصال کوتاه را داشته‌باشد؛ جریان اولیه حاصل از ترانسفورماتور دو سیم‌پیچه‌ی معادل آن، بسیار بزرگتر خواهدبود؛ زیرا پیوند شار افزایش‌یافته به اتوترانسفورماتور، آسیب می‌زند.
از آنجایی‌که اتصال خنثی برای هردو سیم‌پیچ اولیه و ثانویه مشترک است؛ با اتصال سیم‌پیچ ثانویه به زمین، سیم‌پیچ اولیه به‌طور خودکار به زمین متصل می‌شود؛ زیرا هیچ ایزوله‌سازی بین دو سیم‌پیچ وجود ندارد. گاهی از ترانسفوماتورهای دو سیم‌پیچی برای ایزوله‌سازی تجهیزات از زمین استفاده می‌شود.
اتوترانسفورماتورها، استفاده‌ها و کاربردهای زیادی دارند؛ ازجمله راه‌اندازی موتورهای القایی که برای رگوله‌کردن ولتاژ خطوط انتقال استفاده می‌شود و زمانی‌که نسبت اولیه به ثانویه نزدیک به واحد است؛ می‌توان از آن برای تبدیل ولتاژها استفاده‌کرد.
یک اتوترانسفورماتور، همچنین می‌تواند از ترانسفورماتورهای دو سیم‌پیچه‌ی معمولی با اتصال سری سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه به یکدیگر، ساخته‌شود و بسته به نحوه‌ی اتصال، ولتاژ ثانویه ممکن است؛ به ولتاژ اولیه، اضافه یا از آن کم شود.
اتوترانسفورماتور متغیر
علاوه‌بر داشتن یک بخش ثانویه‌ی ثابت یا انشعابی که خروجی ولتاژ را در یک سطح مشخص تولید می‌کند؛ کاربرد مفید دیگری از این نوع آرایش ترانسفورماتور خودکار وجود دارد؛ که می‌تواند برای تولید ولتاژ AC متغیر از منبع ولتاژ AC ثابت استفاده شود. این نوع از ترانسفورماتور متغیر، معمولا در آزمایشگاه‌ها یا آزمایشگاه‌های علوم مدارس یا کالج‌ها استفاده می‌شود و بیشتر با نام واریاک (Variac) شناخته می‌شود.
ساخت یک اتوترانسفورماتور متغیر یا واریاک، مانند نوع ثابت است. یک سیم‌پیچ اولیه‌ی منفرد که دور یک هسته‌ی مغناطیسی لمینت‌شده پیچیده شده‌است؛ مانند یک ترانسفورماتور خودکار استفاده می‌شود؛ اما به‌جای تنظیم‌شدن توسط یک نقطه‌ی سروسط، ولتاژ ثانویه از طریق یک برس کربن، تنظیم می‌شود.
این برس کربنی، می‌تواند چرخانده شود یا اجازه‌ی تغییر موقعیت در امتداد یک بخش در معرض سیم‌پیچ اولیه و لغزیدن را داشته باشد و در حین حرکت با سیم‌پیچ در تماس بوده و سطح ولتاژ موردنیاز را تامین کند.
پس یک اتوترانسفورماتور متغیر دارای یک سروسط متغیر به‌شکل یک برس کربنی است؛ که در امتداد سیم‌پیچ اولیه به سمت بالا و پایین می‌لغزد و طول سیم‌پیچ ثانویه را کنترل می‌کند و از این‌رو، ولتاژ خروجی ثانویه، کاملا از مقدار ولتاژ منبع تغذیه‌ی اولیه تا صفر ولت، متغیر است.
یک اتوترانسفورماتور متغیر، معمولا با تعداد قابل‌توجهی سیم‌پیچ اولیه، طراحی می‌شود؛ تا یک ولتاژ ثانویه تولیدکند؛ که می‌تواند از چند ولت تا کسری از یک ولت در هر دور تنظیم شود. این هدف از طریق برس یا لغزنده‌ی کربنی که همیشه با یک یا چند سیم‌پیچ اولیه در تماس است؛ محقق می‌شود. از آنجایی که دورهای سیم‌پیچ اولیه در طول آن باهم برابر هستند؛ ولتاژ خروجی متناسب با دوران زاویه‌ای است.
مدار اتوترانسفورماتور متغیر
می‌بینیم، که واریاک می‌تواند ولتاژ بار را به‌آرامی از صفر تا ولتاژ نامی منبع تنظیم کند. اگر ولتاژ منبع تغذیه در نقطه‌ای در امتداد سیم‌پیچ اولیه تنظیم‌شود؛ پتانسیل این را دارد؛ که ولتاژ ثانویه‌ی خروجی، بالاتر از ولتاژ تغذیه‌ی واقعی باشد. از اتوترانسفورماتورهای متغیر، می‌توان برای کاهش نور چراغ‌ها استفاده کرد و هنگامی‌که برای این نوع کاربرد استفاده می‌شود؛ گاهی اوقات به آنها، “دیمراستات (dimmerstat)” می‌گویند.
واریاک‌ها همچنین در کارگاه‌ها و آزمایشگاه‌های برق و الکترونیک، بسیار مفید هستند؛ زیرا می‌توان از آنها برای تامین منبع AC متغیر استفاده کرد. اما برای اطمینان باید از محافظ فیوز مناسب، برای کنترل و اطمینان از عدم وجود ولتاژ تغذیه‌ی بالاتر در ترمینال‌های ثانویه در شرایط خطا، استفاده نمود.
اتوترانسفورماتورها، مزایای بسیاری نسبت به ترانسفورماتورهای دو سیم‌پیچی معمولی دارند. آنها در حالت کلی برای یک نرخ VAیکسان کارامدتر بوده و از نظر اندازه کوچکتر هستند و ازآنجایی‌که در ساختشان به مس کمتری نیاز دارند؛ هزینه ساخت آنها در مقایسه با ترانسفورماتورهای دو سیم‌پیچی با همان نرخ VA کمتر است. همچنین اتلاف هسته و مس آنها،I2R به دلیل رزیستانس و راکتانس نشتی کمتر، رگولاسیون ولتاژ بهتری نسبت به ترانسفورماتور دو سیم‌پیچی معادل دارد.
در مقاله بعدی در مورد ترانسفورماتورها، نگاهی به طراحی دیگری از ترانسفورماتور خواهیم داشت؛ که سیم‌پیچ اولیه‌ی مرسوم را به دور هسته‌ی خود ندارد. این نوع ترانسفورماتور، معمولا با نام ترانسفورماتور جریان شناخته می‌شود و برای تامین آمپرمترها و سایر نشانگرهای توان الکتریکی استفاده می‌شود.
