Een autotransformator heeft een enkele wikkeling met twee eindklemmen en een of meer klemmen op tussenliggende aftakkingspunten. Het is een transformator waarbij de primaire en secundaire wikkelingen een deel van hun windingen gemeenschappelijk hebben. Het gedeelte van de wikkeling dat zowel door de primaire als de secundaire wikkeling wordt gedeeld, kan, en wordt vaak, aangeduid als de “gemeenschappelijke sectie”. Het gedeelte van de wikkeling dat niet door de primaire en secundaire wikkeling wordt gedeeld, kan, en wordt dikwijls, de “Seriesectie” genoemd. De primaire spanning wordt over twee van de aansluitklemmen aangelegd. De secundaire spanning wordt afgenomen van twee klemmen, waarvan gewoonlijk één klem gemeenschappelijk is met een primaire spanningsklem.
Omdat de volt-per-turn in beide wikkelingen gelijk is, ontwikkelt elke wikkeling een spanning in verhouding tot het aantal windingen. In een autotransformator vloeit een deel van de uitgangsstroom rechtstreeks van de ingang naar de uitgang (door het seriegedeelte), en slechts een deel wordt inductief overgedragen (door het gemeenschappelijke gedeelte), waardoor een kleinere, lichtere, goedkopere kern kan worden gebruikt en slechts één enkele wikkeling nodig is. De spannings- en stroomverhouding van autotransformatoren kan echter hetzelfde worden geformuleerd als die van andere twee-wikkelingstransformatoren:
V 1 V 2 = N 1 N 2 = a {\displaystyle {\frac {V_{1}}{V_{2}}={\frac {N_{1}}{N_{2}}=a}
(0<V2<V1)
De ampère-omwentelingen geleverd door het seriegedeelte van de wikkeling:
F S = ( N 1 – N 2 ) I 1 = ( 1 – 1 a ) N 1 I 1 {Displaystyle F_{S}=(N_{1}-N_{2})I_{1}= links(1-{\frac {1}{a}}rechts)N_{1}I_{1}}
De ampère-omwentelingen van het gemeenschappelijke deel van de wikkeling:
F C = N 2 ( I 2 – I 1 ) = N 1 a ( I 2 – I 1 ) {Displaystyle F_{C}=N_{2}(I_{2}-I_{1})={\frac {N_{1}{a}}(I_{2}-I_{1})}
Voor ampère-evenwichten geldt FS = FC:
( 1 – 1 a ) N 1 I 1 = N 1 a ( I 2 – I 1 ) {\displaystyle \left(1-{\frac {1}{a}}right)N_{1}I_{1}={\frac {N_{1}{a}}(I_{2}-I_{1})}
Daaruit:
I 1 I 2 = 1 a {\displaystyle {\frac {I_{1}}{I_{2}}={\frac {1}{a}}}
Een uiteinde van de wikkeling is gewoonlijk gemeenschappelijk verbonden met zowel de spanningsbron als de elektrische belasting. Het andere uiteinde van de bron en de belasting zijn verbonden met aftakkingen op de wikkeling. Verschillende aftakkingen op de wikkeling komen overeen met verschillende spanningen, gemeten vanaf het gemeenschappelijke uiteinde. In een step-down transformator is de bron gewoonlijk over de gehele wikkeling aangesloten, terwijl de belasting via een aftakking over slechts een deel van de wikkeling is aangesloten. In een step-up transformator daarentegen is de belasting over de volledige wikkeling aangesloten, terwijl de bron met een aftakking over een deel van de wikkeling is verbonden. Voor een step-up transformator worden de subscripts in bovenstaande vergelijkingen omgedraaid, waarbij in deze situatie N2 en V2 groter zijn dan N1 en V1, respectievelijk.
Zoals in een transformator met twee wikkelingen, is de verhouding tussen secundaire en primaire spanningen gelijk aan de verhouding van het aantal windingen van de wikkeling waarop ze zijn aangesloten. Bijvoorbeeld, het aansluiten van de belasting tussen het midden van de wikkeling en het gemeenschappelijke klemuiteinde van de wikkeling van de autotransformator zal resulteren in een uitgangsbelastingsspanning die 50% bedraagt van de primaire spanning. Afhankelijk van de toepassing kan het gedeelte van de wikkeling dat uitsluitend wordt gebruikt in het gedeelte met de hogere spanning (lagere stroom) worden gewikkeld met draad van een kleinere dikte, hoewel de gehele wikkeling rechtstreeks is aangesloten.
Als een van de middelste aftakkingen wordt gebruikt voor de aarde, dan kan de autotransformator worden gebruikt als een balun om een gebalanceerde lijn (aangesloten op de twee eindaftakkingen) om te zetten in een ongebalanceerde lijn (de kant met de aarde).