変圧器のしくみ磁束の変化を介して、
電圧を変える。

変圧器は、磁場の変化を介して電圧を変える

変圧器は、交流の電圧を上げたり下げたりする装置です。「トランス」とも呼ばれます。電柱の上にある変圧器と、電子機器の電源に入る小さなトランスでは大きさや設計が違いますが、電磁誘導を利用する点で共通します。

ここでは、共通のコアに二つの独立した巻線を巻く複巻変圧器を入口にします。巻線は、絶縁された導線を巻いたものです。電源につながる側を一次、電気を取り出す側を二次と呼びます。

**一次と二次は、電線で直接つながっていません。**それでも電気のエネルギーを渡せる理由は、巻線を通る磁場の変化です。すべての変圧器が、この独立した二巻線の構造というわけではありません。

電流の通り道と、磁束の通り道は別

図1では、左に交流電源と一次巻線、右に二次巻線と抵抗の負荷を描いています。橙色と青色は別々の電気回路です。灰色のコアは、磁束が通りやすい道を作り、二つの巻線を結び付けます。

磁束は、巻線の囲む面をどの向きにどれだけ磁場が通るかを表す量です。一次に交流電圧を加えると、電流によって変化する磁場が生じます。その変化がコアを通じて二次巻線にも関係し、二次に電圧が誘導されます。二つの巻線の間で起こるこの作用を相互誘導といいます。

図の緑の対向矢印は、磁束が時間とともに向きを変えることを表します。同時に逆向きの磁束が流れている図でも、電子がコアを渡っている図でもありません。

二次につないだ負荷に電流が流れると、電源から負荷へ電力が供給されます。二次の回路が開いていれば、電圧が生じても、その外部回路へ電流を流し続けることはできません。実物の一次側には、二次が開いていても磁場を作るための電流や損失があります。

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巻数の比が、電圧の比になる

同じ磁束の変化が各巻線に結び付く理想的な変圧器では、一巻きあたりに誘導される電圧は共通です。そのため、二次の巻数を一次の半分にすると、二次の電圧も一次の半分になります。反対に二次の巻数を2倍にすれば、電圧も2倍になります。

巻数をN、電圧をVとすると、関係は V2 ÷ V1 = N2 ÷ N1 です。1は一次、2は二次を表します。電圧を下げることを降圧、上げることを昇圧と呼びます。

例えば、一次200巻・二次100巻なら巻数比は2:1です。一次に24Vの交流を加えた理想例では、二次は12Vです。この24V・12Vは実効値で、交流の大きさを、抵抗で同じ平均の発熱を生じる直流に対応させた値です。波形の最大値そのものではありません。

図1の巻線の線数は、実際の巻数やこの200巻・100巻を描いたものではありません。図2で扱う巻数比と数値は、別に条件を指定した比較例です。

巻数比の式は、損失や磁束の漏れ、巻線の抵抗による電圧降下などを無視したモデルです。実機の出力は負荷や設計でも変わるため、巻数だけでどんな機器にも使える変圧器が完成するわけではありません。

電圧が変わっても、電力は増えない

図2では、損失のない理想変圧器と抵抗負荷を考えます。抵抗負荷では、実効値の電圧と電流を掛けて電力を求められます。

1の降圧例は24Vから12V。二次へ6Ωの抵抗をつなぐと、二次の電流は12V÷6Ωで2A、電力は12V×2Aで24Wです。同じ24Wを一次から受け取るため、一次は24V・1Aになります。

2の昇圧例は12Vから24V。二次の抵抗を24Ωにした場合、二次は24V・1Aで24W、一次は12V・2Aで24Wです。二つの例は負荷抵抗が違います。同じ抵抗を付けたまま電圧だけを変えた比較ではありません。

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降圧したから、つないだ負荷へ必ず2Aが流れるわけではありません。 電流は負荷によって変わり、一次側の電流もそれに対応します。流せる電流には、巻線や電源などの定格による限界があります。

この計算を、モーターや電子回路などを含むすべての交流負荷へ無条件に広げないでください。交流では電圧と電流のずれなども電力に関係します。抵抗負荷に限定した例で、電圧・電流・電力を分けて理解します。

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1. 降圧：一次24V・1Aから二次12V・2A。負荷6Ω、両側24W
2. 昇圧：一次12V・2Aから二次24V・1A。負荷24Ω、両側24W

一定の直流を、そのまま変圧し続けられるわけではない

変圧器で電圧が誘導されるには、巻線を通る磁束が変わることが必要です。磁束が一定になれば、二次へ電圧を誘導し続けることはできません。電池のような直流電源を、交流用トランスへそのまま接続して使う説明ではありません。

接続・切断の瞬間に状態が変わることと、安定して電力を取り出し続けることも別です。これは電池をつなぐ実験で確かめるための手順ではありません。

一方、直流から別の直流へ変えるDC-DCコンバータにトランスが入る場合はあります。電子回路が通電を切り替えて変化する電圧や磁束を作り、出力側の整流や制御と組み合わせます。「直流を一定のままトランスへ通す」という仕組みとは違います。回路方式ごとの動作や制御条件も必要です。

変圧と、交流を直流へ変える整流は別

**普通の交流変圧器は、電圧の大きさを変えても、出力を直流にする部品ではありません。**交流から一方向の出力に変える働きが整流です。さらに、出力の変動を小さくする平滑や、必要な電圧へ整える制御もあります。

通常の交流変圧器は、周波数を変える装置でもありません。入力の交流と同じ繰り返しの速さで、電圧の大きさを変えます。電子回路で波形や周波数を作り直す働きとは分けて考えます。

ACアダプターは、これらを組み合わせた装置です。低周波のトランスで電圧を変えてから整流する方式もあれば、最初に整流し、電子回路で高周波に切り替えて小さなトランスを使う方式もあります。すべての電源が同じ順番・同じ部品配置ではありません。

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電池への充電には、電池の種類や状態に合う充電制御が必要です。「電圧を下げたから充電器として使える」という判断はできません。

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1. 変圧：交流の大きさを変える
2. 整流：出力を一方向へそろえる
3. 平滑：出力の変動を小さくする

実機では、損失と絶縁の設計も重要

巻線には抵抗があり、電流が流れると発熱による損失が生じます。巻線の損失を銅損、コア側の損失をコアロスと呼びます。実物の出力電力は入力電力より小さくなり、理想例の「入力24W・出力24W」がそのまま実製品の効率を表すわけではありません。

コアの材料や構造は、使う周波数などに合わせて選びます。低周波用の鉄心と、高周波電源用のフェライトなどを、外見だけで同じものとして扱わないでください。巻線の抵抗、磁束の漏れ、コアの性質、温度、負荷などを合わせて設計します。

図1の複巻方式では一次と二次が電気的に分かれています。一方、単巻変圧器は巻線の一部を共用するため、一次と二次の電気的な絶縁がありません。電圧を変えられることと、回路間が絶縁されていることは別の性質です。

絶縁された方式でも、二次側の両端に触れるなどの危険までなくなるわけではありません。この記事は接続・製作の手順ではありません。電源装置を分解したり、裸の巻線を家庭用コンセントへ接続したりせず、定格と製品の指示に従ってください。

発電機・IHと、磁束の変え方を比べる

発電機は、軸を回す仕事によってコイルを通る磁束を変え、電気を取り出します。変圧器は、一次側の変化する電流と磁場を介して、二次へ電気のエネルギーを渡します。変圧器そのものが、外からの供給なしに電気を作り増やすわけではありません。

IHも変化する磁場を使いますが、取り出したいものは鍋底の熱です。変圧器で損失を抑えたい場所と、IHで熱を生みたい場所を比べると、同じ電磁誘導でも道具の目的が違うことが分かります。

電気のエネルギーをたどるでは、電池・発電機を供給源の入口に、変圧器で電圧を変える働き、LED・モーター・IHで光・動き・熱へ変える働きを比較できます。記事の読む順番は、実際にその順番で配線するという意味ではありません。