En autotransformator har en enda lindning med två ändterminaler och en eller flera terminaler vid mellanliggande tappställen. Det är en transformator där primär- och sekundärspolarna har en del av sina varv gemensamt. Den del av lindningen som delas av både den primära och den sekundära kan kallas, och kallas ofta, ”den gemensamma sektionen”. Den del av lindningen som inte delas av både primär- och sekundärspolarna kan kallas, och kallas ofta, ”seriedelen”. Primärspänningen läggs på två av terminalerna. Sekundärspänningen tas från två terminaler, varav den ena terminalen vanligtvis är gemensam med en terminal för primärspänning.
Då volten per varv är densamma i båda lindningarna utvecklar var och en av dem en spänning i proportion till antalet varv. I en autotransformator går en del av utgångsströmmen direkt från ingången till utgången (genom seriedelen) och endast en del överförs induktivt (genom den gemensamma delen), vilket gör det möjligt att använda en mindre, lättare och billigare kärna samt att endast en enda lindning behövs. Spännings- och strömförhållandet för autotransformatorer kan dock formuleras på samma sätt som för andra transformatorer med två lindningar:
V 1 V 2 = N 1 N 2 = a {\displaystyle {\frac {V_{1}}}{V_{2}}}}={\frac {N_{1}}}{N_{2}}}=a}
(0<V2<V1)
Ampere-turns som tillhandahålls av lindningens seriedel:
F S = ( N 1 – N 2 ) I 1 = ( 1 – 1 a ) N 1 I 1 {\displaystyle F_{S}=(N_{1}-N_{2})I_{1}=\left(1-{{\frac {1}{a}}\right)N_{1}I_{1}}}}
Ampere-turns som tillhandahålls av den gemensamma delen av lindningen:
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})}
För ampere-turnbalans, 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})}
Därför:
I 1 I 2 = 1 a {\displaystyle {\frac {I_{1}}{I_{2}}}}={\frac {1}{a}}}}
En ände av lindningen är vanligtvis gemensamt ansluten till både spänningskällan och den elektriska lasten. Den andra änden av källan och belastningen är anslutna till avtag längs lindningen. Olika tappar på lindningen motsvarar olika spänningar, mätt från den gemensamma änden. I en nedtrappningstransformator är källan vanligen ansluten över hela lindningen medan belastningen är ansluten genom ett avtag över endast en del av lindningen. I en step-up-transformator är tvärtom belastningen ansluten över hela lindningen medan källan är ansluten till en tappning över en del av lindningen. För en upptrappningstransformator är tecknen i ovanstående ekvationer omvända då N2 och V2 i denna situation är större än N1 respektive V1.
Som i en transformator med två lindningar är förhållandet mellan sekundär- och primärspänningar lika med förhållandet mellan antalet varv i den lindning som de är anslutna till. Om man till exempel ansluter lasten mellan mitten av lindningen och den gemensamma terminaländan av lindningen i autotransformatorn, kommer utgångslastspänningen att vara 50 % av primärspänningen. Beroende på tillämpningen kan den del av lindningen som endast används i den del med högre spänning (lägre strömstyrka) vara lindad med tråd av mindre styrka, även om hela lindningen är direkt ansluten.
Om en av de mittersta avtappningarna används för jord kan autotransformatorn användas som en balun för att omvandla en balanserad ledning (som är ansluten till de två slutavtappningarna) till en obalanserad ledning (den sida som är jordad).