Чому трансформатори використовують стільки оборотів?

Трансформатори мають сотні витків як на вторинній, так і на первинній обмотці, і в результаті використовують дуже тонкі мідні дроти для кожного. Але, чому вони не просто використовують менше витків на кожній обмотці і отримують однакове співвідношення напруги?

Що ще важливіше, чому б не використати менше витків більш товстого дроту для збільшення ВА? (замість 1000: 100 витків дроту 22 AGG, чому б не 100: 10 витків дроту 16 AW, якщо це збільшило б VA)

Коли ви подаєте напругу на первинну обмотку силового трансформатора, ток струму буде текти, навіть коли вторинна є відкритим контуром. Величина цього струму визначається індуктивністю первинної котушки. Первинний повинен мати досить високу індуктивність, щоб підтримувати цей струм розумним. Для силових трансформаторів потужністю 50 або 60 Гц ця індуктивність досить висока, і ти, як правило, не можеш туди потрапити з невеликою кількістю витків у обмотці.

Якщо на залізовому сердечнику було лише 1 оборот, він може мати індуктивність (скажімо) 1 мкг. При застосуванні двох оборотів індуктивність не подвоюється, вона вчетверо. Таким чином, два обороти означає 4 мкг. "І що?" ви можете сказати!

Що ж, для заданої напруги змінного струму струм, який приймається двома обертовими обмотками, становить одну чверть струму для обмотки на один виток. Візьміть до уваги, оскільки це є основоположним у розумінні насиченості ядра.

Що викликає насичення ядра (чого слід значною мірою уникати)? Відповідь - струм і кількість витків. Це називається силою рушія магніто і має розміри амперних витків.

Отже, з двома обертами та однією чвертю струму оберти ампера (магнітна сила рушія) наполовину менші за обмотку одного витка. Отже, одразу ми можемо спостерігати, що якби два обороти перенесли серцевину до «краю» насичення, котушка з одним поворотом значно насититься і стане великою проблемою.

Це основна причина, чому трансформатори використовують багато первинних витків. Якщо певний трансформатор має 800 оборотів і знаходиться в точці насичення, істотно зменшення оборотів наситить серцевину.

Що відбувається, коли серцевина насичує вас, можливо, ви запитаєте. Індуктивність починає падати і приймається більше струму, і це більше і добре насичує серцевину, ви повинні побачити, куди це йде.

Зауважте, що ця відповідь не розглядала нічого іншого, крім первинної обмотки; насправді ми говоримо лише про первинну індуктивність намагнічення - саме це і це може наситити ядро. Струми вторинного навантаження не мають жодної ролі в насиченні ядра.

Також зауважте, що трансформатори, що використовуються у джерелах живлення з високою швидкістю комутації, мають порівняно мало обертів; 10 Генрі при 50 Гц має імпеданс 3142 Ом, а 1 мГц на 500 кГц має точно такий же імпеданс. Для ядра, яке природним чином виробляє 10 мкг за один виток, для навітрювання 1 мГн потрібно десять оборотів (пам’ятайте, що це витки квадратики у формулі індуктивності). Для одного і того ж ядра при 50 Гц (безрезультатно), 10 Генрі вимагає 1000 обертів.

Якщо у вас є залізний сердечник для трансформатора, однією з його характеристик є "скільки обертів повинно мати одну обмотку на один вольт, коли задана частота". Не можна обійти цю специфікацію і мати менше поворотів, не маючи наступних наслідків

• знижена ефективність
• більше небажаного поперечного струму, який спричинює лише втрати, але не робить нічого корисного для процесу перетворення напруги

Поперечний струм можна зменшити за рахунок збільшення індуктивності первинної обмотки.

Специфікація поворотів / вольт є наслідком наступного переліку фактів, які мають тенденцію до зменшення індуктивності котушки:

• матеріал заліза має обмежену магнітну проникність
• залізна серцевина не може бути виготовлена ​​з повного заліза. Він розділений на тонкі ізоляційні шари, щоб вихрові струми були досить маленькими в ядрі. Ізоляція займає свій простір, і це відключається від заліза
• магнітний потік однієї обмотки частково обходить залізо, а інші обмотки
• занадто великий поперечний струм викликає магнітне насичення в залізі. Насичення радикально знижує магнітну проникність

Як можна боротися проти цього, додаючи більше оборотів? Це тому, що індуктивність зростає як квадрат числа витків. Можна заграти: Але зростає намагніченість (= обертається х струм)! Щоправда, але воно росте лише лінійно, тому достатньо оборотів, то, нарешті, індуктивність досить висока, щоб перемогти недоліки.

Точно не всі недоліки. Простір обмежений. Таким чином, більше обертів означає, що дріт повинен бути тоншим. Це збільшує опір і резистивні втрати (= нагрівання).

Трансформатори працюють, передаючи енергію магнітним потоком з однієї сторони на іншу.

Обидві сторони складаються індукторами, первинний індуктор створює магнітне поле, яке індукується у вторинний індуктор.

$\Phi$

Індуктивність індуктора визначається кількістю витків (поруч із площею чи розміром):

Дивіться Вікіпедію про індуктивність

Зазвичай бажаний невеликий трансформатор, тому більше обертів краще, ніж більший розмір (просто кажучи).

Індуктивність повинна відповідати головній частоті. Інакше первинна обмотка дозволила б зараз пропускати достатню кількість електричного і, таким чином, магнітного струму (для більш високих частот), або більше нагадує коротке замикання (для нижчих частот). Обидва не бажані.

Нижчі частоти вимагають більшої індуктивності (= більше витків або більших ядер). З цієї причини комутаційні джерела живлення, використовуючи більш високі частоти в діапазонах кГц - МГц, використовують настільки малі трансформатори, одночасно здатні передавати набагато більше енергії порівняно зі звичайними трансформаторами.

Цитата зі статті Вікіпедії про трансформатори :

ЕРС трансформатора при заданій щільності потоку збільшується з частотою. ^[16] Працюючи на більш високих частотах, трансформатори можуть бути фізично більш компактними, оскільки дане ядро ​​здатне передавати більше потужності, не досягаючи насичення, а для досягнення однакового опору потрібно менше витків .

(Наголос мій.)

Див. Вікіпедію про вплив частоти на трансформатори

Тому,

• потужність, яку повинен передавати трансформатор, визначається струмом, що проходить через його котушки
• струм, який повинен проводити провід, визначає товщину дроту (що відповідає розміру)
• розмір котушки і кількість витків визначають індуктивність
• індуктивність на певній частоті визначає здатність передавати енергію

Висновок: вам потрібно буде зробити трансформатор фізично більшим, щоб зменшити кількість обмоток. При зменшенні кількості обмоток ви знижуєте ефективність і збільшуєте втрати. І це зазвичай не бажано.

Максимальне магнітне поле в ядрі пов'язане з напругою, що застосовується в пік за оборот. Чим більша площа сердечника, тим більше вольт на оборот може генеруватися.

Не можна допускати, щоб магнітне поле в сердечнику перевищувало певне значення насичення, якщо це зробить тоді проникність заліза падає, і трансформатор повинен намалювати на величину більше струму, щоб підтримувати намагніченість. Таким чином, це суворо обмежує кількість вольт на оборот, що підтримується, і таким чином дає мінімальну кількість витків для будь-якої обмотки.

Для типового невеликого (50 VA, ish?) Тороїдального сердечника, який я маю поставити, перетин серцевини становить 25 мм на 13 мм. Якщо я запускаю серцевину з максимумом потоку при ± 1,8 Т при 50 Гц, він буде генерувати близько 170 мВ пік за оборот. Таким чином, для обмотки на 12 Vrms знадобиться 100 витків, для обмотки мережі 240 V потрібно 2000 обертів. Я міг би використовувати більше витків, ніж це, але менше обертів підштовхне серцевину до насичення.

Якби я використав сердечник із площею поперечного перерізу залізничної шпали, 130 мм х 250 мм, я міг би отримати 12 Врм за один виток, але також досить непростим трансформатором.

Ваша основна передумова помилкова, тому на це питання не можна відповісти.

Трансформатори поставляються у багатьох різних різновидах напруги та струму для своїх входів і виходів. Деякі використовують багато витків тонкого дроту (висока напруга, низький струм). Деякі використовують кілька витків товстого дроту (низька напруга, високий струм).

Тож відповідь на "Чому вони не ..." - це "Вони роблять" (коли це доречно).

Тим, кому ця відповідь не подобається

Я бачу, що ця відповідь отримала низку речей, і приблизно стільки ж змін. Очевидно, що це суперечливо. Деякі вважають це низькою якістю, особливо після того, як інші в коментарях міркували про справжнє значення ОП.

Незважаючи на те, що інші думають, що означав ОП, він розпочав свою роботу з неправдивої помилкової передумови, а саме: трансформатори мають 100-ти поворотів як на своїх первинних, так і на вторинних, і що завжди використовується "тонкий" мідний дріт. Тоді це звучить як одне з тих риторичних питань "Чому все не роблять це іншим очевидним чином" .

Це я відповів. Це правильна відповідь на питання, як трактується вище. Можливо, це не те, що ОП мав на меті запитати. Можливо, так і є. Зауважте, що ОП не повернулося, щоб дати уточнення чи редагувати питання взагалі.

Значно кращим було б питання про компроміси меншої кількості витків товстого дроту проти більшої кількості витків тонкого дроту. На запитання з повагою, не приймаючи попереднього рішення або не допускаючи помилкових передумов, отримали б зовсім іншу відповідь. Однак, знову ж таки, це саме те, що насправді запитували, і навіть не те, що, здається, означало ОП.

Навіть якщо ОП все-таки повернеться і змінить питання, я дам цю відповідь нагадуванням задавати питання належним чином і однозначно, а не починати, заявляючи неправильні припущення як факти.