Dlaczego transformatory używają tak wielu zwojów?

Transformatory mają setki zwojów zarówno na uzwojeniu wtórnym, jak i pierwotnym, w wyniku czego dla każdego z nich używają bardzo cienkich drutów miedzianych. Ale dlaczego nie używają po prostu mniejszej liczby zwojów na każdym uzwojeniu i uzyskują ten sam stosunek napięcia?

Co ważniejsze, dlaczego nie użyć mniejszej liczby zwojów grubszego drutu w celu zwiększenia VA? (zamiast 1000: 100 zwojów drutu 22 awg, dlaczego nie 100: 10 zwojów drutu 16 awg, jeśli zwiększyłoby to VA)

Po przyłożeniu napięcia do uzwojenia pierwotnego transformatora mocy przepłynie część prądu, nawet gdy obwód wtórny jest otwarty. Wielkość tego prądu zależy od indukcyjności cewki pierwotnej. Główny musi mieć wystarczająco wysoką indukcyjność, aby utrzymać ten prąd na rozsądnym poziomie. W przypadku transformatorów mocy 50 lub 60 Hz ta indukcyjność jest dość wysoka i zwykle nie można się tam dostać z niewielką liczbą zwojów uzwojenia.

Jeśli miałeś tylko 1 włączenie żelaznego rdzenia, może on mieć indukcyjność (powiedzmy) 1 uH. Po zastosowaniu dwóch zwojów indukcyjność nie podwaja się, lecz czterokrotnie. Tak więc dwa zwoje oznaczają 4 uH. "Więc co?" możesz powiedzieć!

Cóż, dla danego przyłożonego napięcia prądu przemiennego prąd pobierany przez to uzwojenie dwuobrotowe stanowi jedną czwartą prądu dla uzwojenia jednozwojowego. Zwróć uwagę, ponieważ ma to fundamentalne znaczenie dla zrozumienia nasycenia rdzenia.

Co powoduje nasycenie rdzenia (czego należy w dużej mierze uniknąć)? Odpowiedzią jest prąd i liczba zwojów. Nazywa się to siłą napędową magneto i ma wymiary zwojów amperowych.

Tak więc, przy dwóch zwojach i jednej czwartej prądu, amperowe zwoje (siła napędowa magneto) są o połowę mniejsze niż uzwojenie pojedynczego zwoju. Natychmiast możemy więc zauważyć, że gdyby dwa zwoje doprowadziły rdzeń do „krawędzi” nasycenia, cewka z jednym zwojem znacznie się nasyciłaby i byłaby dużym problemem.

Jest to podstawowy powód, dla którego transformatory używają wielu zwojów pierwotnych. Jeśli dany transformator ma 800 zwojów i znajduje się w punkcie nasycenia, znaczne zmniejszenie zwojów spowoduje nasycenie rdzenia.

Co dzieje się, gdy rdzeń się nasyca, możesz zapytać. Indukcyjność zaczyna spadać, a więcej prądu jest pobierane, a to nasyca rdzeń bardziej i dobrze, powinieneś zobaczyć, dokąd to zmierza.

Zauważ, że ta odpowiedź nie uwzględnia niczego innego niż uzwojenie pierwotne; w efekcie mówimy tylko o pierwotnej indukcyjności magnetyzacji - tylko to może nasycić rdzeń. Wtórne prądy obciążenia nie mają wpływu na nasycenie rdzenia.

Należy również zauważyć, że transformatory stosowane w zasilaczach o dużej prędkości przełączania mają stosunkowo niewiele zwojów; 10 henry przy 50 Hz ma impedancję 3142 omów, a 1 mH przy 500 kHz ma dokładnie taką samą impedancję. Dla rdzenia, który naturalnie wytwarza 10 uH dla jednego zwoju, do zwojenia 1 mH potrzeba dziesięciu zwojów (pamiętaj, że to zwoje kwadratowe we wzorze indukcyjności). Dla tego samego rdzenia przy 50 Hz (oczywiście niepraktyczne) 10 henry wymaga 1000 zwojów.

Jeśli masz żelazny rdzeń transformatora, jedną z jego specyfikacji jest „ile zwojów musi mieć jedno uzwojenie na jeden wolt, gdy podana jest częstotliwość”. Nie można ominąć tej specyfikacji i mieć mniej zakrętów bez następujących konsekwencji

• zmniejszona wydajność
• bardziej niepożądany prąd poprzeczny, który powoduje tylko straty, ale nie robi nic przydatnego w procesie transformacji napięcia

Prąd poprzeczny można obniżyć, zwiększając indukcyjność uzwojenia pierwotnego.

Specyfikacja zwojów / woltów jest konsekwencją następującej listy faktów, z których wszystkie mają tendencję do zmniejszania indukcyjności cewki:

• materiał żelazny ma ograniczoną przepuszczalność magnetyczną
• żelazny rdzeń nie może być wykonany z pełnego żelaza. Jest podzielony na cienkie izolowane warstwy, aby prądy wirowe były wystarczająco małe w rdzeniu. Izolacja zabiera swoją przestrzeń i to od żelazka
• strumień magnetyczny jednego uzwojenia częściowo omija żelazo i inne uzwojenia
• zbyt duży prąd poprzeczny powoduje nasycenie magnetyczne w żelazie. Nasycenie radykalnie zmniejsza przepuszczalność magnetyczną

Jak można z nimi walczyć, dodając więcej tur? To dlatego, że indukcyjność rośnie jako kwadrat liczby zwojów. Można to zrobić: ale rośnie też magnetyzacja (= zamienia x prąd)! To prawda, ale rośnie tylko liniowo, więc wystarczająco dużo zwojów, a następnie indukcyjność jest wystarczająco wysoka, aby pokonać wady.

Dokładnie nie wszystkie wady. Przestrzeń jest ograniczona. Zatem więcej zwojów oznacza, że ​​drut musi być cieńszy. Zwiększa to rezystancję i straty rezystancyjne (= ogrzewanie).

Transformatory działają poprzez przenoszenie energii za pomocą strumienia magnetycznego z jednej strony na drugą.

Obie strony składają się z cewek, cewka pierwotna wytwarza pole magnetyczne, które jest indukowane do cewki wtórnej.

Indukcyjność określa zdolność do wytworzenia strumienia magnetycznego ( ) z prądu i jest proporcjonalna:$\Phi$

Indukcyjność cewki indukcyjnej zależy od liczby zwojów (poza obszarem lub rozmiarem):

Zobacz Wikipedia na temat indukcyjności

Mały transformator jest zwykle pożądany, więc więcej zwojów jest lepszych niż większy rozmiar (po prostu).

Indukcyjność musi pasować do częstotliwości sieci. W przeciwnym razie uzwojenie pierwotne pozwoli teraz przepływać wystarczającej ilości prądu elektrycznego, a tym samym magnetycznego (dla wyższych częstotliwości) lub bardziej przypomina zwarcie (dla niższych częstotliwości). Oba są niepożądane.

Niższe częstotliwości wymagają wyższej indukcyjności (= więcej zwojów lub większych rdzeni). To jest powód, dla którego przełączające zasilacze, wykorzystujące wyższe częstotliwości w setkach zakresów kHz - MHz, używają tak małych transformatorów, a jednocześnie są w stanie przenieść znacznie więcej energii w porównaniu do konwencjonalnych transformatorów.

Cytat z artykułu w Wikipedii na temat transformatorów :

EMF transformatora przy danej gęstości strumienia rośnie wraz z częstotliwością. ^[16] Działając na wyższych częstotliwościach, transformatory mogą być fizycznie bardziej kompaktowe, ponieważ dany rdzeń jest w stanie przenieść większą moc bez osiągania nasycenia i potrzeba mniejszej liczby zwojów, aby uzyskać tę samą impedancję .

(Podkreśl moje.)

Zobacz Wikipedia na temat wpływu częstotliwości na transformatory

Więc,

• moc, którą transformator musi przekazać, zależy od prądu przepływającego przez cewki
• prąd, który ma przewodzić drut, determinuje grubość drutu (co odpowiada rozmiarowi)
• rozmiar cewki i liczba zwojów określają indukcyjność
• indukcyjność przy określonej częstotliwości określa zdolność do przenoszenia energii

Wniosek: trzeba by zwiększyć fizycznie transformator, aby zmniejszyć liczbę zwojów. Zmniejszając liczbę zwojów, obniżasz wydajność i zwiększasz straty. I to zwykle nie jest pożądane.

Szczytowe pole magnetyczne w rdzeniu jest powiązane ze szczytowym napięciem przykładanym na obrót. Im większa powierzchnia rdzenia, tym więcej woltów na obrót można wygenerować.

Nie można dopuścić, aby pole magnetyczne w rdzeniu przekroczyło określoną wartość nasycenia, jeśli tak, to przepuszczalność żelaza spada, a transformator musi pobierać prąd o rząd wielkości więcej prądu, aby utrzymać magnetyzację. Ogranicza to ściśle liczbę napięć na jeden obrót, a tym samym zapewnia minimalną liczbę zwojów dla każdego uzwojenia.

W przypadku typowego małego (50 VA, ish?) Rdzenia toroidalnego, który muszę podać, przekrój rdzenia wynosi 25 mm na 13 mm. Jeśli uruchomię rdzeń ze szczytem strumienia przy ± 1,8 T przy 50 Hz, wygeneruje on około 170 mV piku na turę. Tak więc uzwojenie 12 Vrms wymagałoby 100 zwojów, uzwojenie sieciowe 240 V wymagałoby 2000 zwojów. Mogłem użyć więcej zwojów, ale mniej zwojów popchnęłoby rdzeń do nasycenia.

Gdybym użył rdzenia o powierzchni przekroju podkładu kolejowego o wymiarach 130 mm x 250 mm, mógłbym uzyskać 12 Vrms za jednym razem, ale także dość nieporęczny transformator.

Twoje podstawowe założenie jest fałszywe, więc na pytanie tak naprawdę nie można odpowiedzieć.

Transformatory są dostępne w wielu różnych odmianach napięcia i prądu dla swoich wejść i wyjść. Niektóre używają wielu zwojów cienkiego drutu (wysokie napięcie, niski prąd). Niektóre wykorzystują kilka zwojów grubego drutu (niskie napięcie, wysoki prąd).

Tak więc odpowiedź na „Dlaczego oni nie…” brzmi „Oni robią” (gdy jest to właściwe).

Dla tych, którzy nie lubią tej odpowiedzi

Widzę, że ta odpowiedź otrzymała wiele ocen pozytywnych i mniej więcej taką samą liczbę ocen pozytywnych. Oczywiście jest to kontrowersyjne. Niektórzy uważają to za niską jakość, szczególnie po tym, jak inni spekulowali na temat prawdziwego znaczenia OP w komentarzach.

Pomimo tego, co inni sądzą, że OP miał na myśli, zaczął od rażąco fałszywej przesłanki, że transformatory mają setki zwojów zarówno na swoich pierwotnych, jak i wtórnych, i że zawsze stosuje się „cienki” drut miedziany. Brzmi to jak jedno z tych retorycznych pytań typu „dlaczego wszyscy nie robią tego w inny oczywisty sposób” .

Na to odpowiedziałem. Jest to poprawna odpowiedź na pytanie interpretowane powyżej. Być może nie o to chciał zapytać PO . Być może jest. Pamiętaj, że OP nie wrócił, aby udzielić jakichkolwiek wyjaśnień lub w ogóle edytować pytanie.

O wiele lepsze pytanie dotyczyłoby kompromisów mniejszej liczby zwojów grubego drutu w porównaniu do większej liczby zwojów cienkiego drutu. To pytanie zadane z szacunkiem bez uprzedniego osądzenia lub wstępnego założenia fałszywych przesłanek otrzymałoby zupełnie inną odpowiedź. Ponownie jednak o to właśnie zapytano, a nawet nie o to, jak się wydaje, chodziło o PO.

Nawet jeśli PO wróci i zmieni pytanie, pozwolę, aby ta odpowiedź była przypomnieniem, aby zadawać pytania właściwie i jednoznacznie, a nie zaczynać od podawania błędnych założeń jako faktów.