Почему трансформаторы используют так много витков?

Трансформаторы имеют сотни витков как на вторичной, так и на первичной обмотке, и в результате используют очень тонкие медные провода для каждого. Но почему они не просто используют меньше витков на каждой обмотке и получают одинаковое соотношение напряжений?

Что еще более важно, почему бы не использовать меньшее количество витков более толстой проволоки для увеличения ВА? (вместо 1000: 100 витков провода 22 AWG, почему бы не 100: 10 витков провода 16 AWG, если это увеличит ВА)

Когда вы подаете напряжение на первичную обмотку силового трансформатора, течет некоторый ток, даже если вторичная обмотка разомкнута. Величина этого тока определяется индуктивностью первичной катушки. Первичная обмотка должна иметь достаточно высокую индуктивность, чтобы поддерживать этот ток разумным. Для силовых трансформаторов 50 или 60 Гц эта индуктивность довольно высока, и вы, как правило, не можете достичь этого с небольшим числом витков в обмотке.

Если у вас был только 1 виток на железном сердечнике, он мог бы иметь индуктивность (скажем) 1 мкГн. Когда вы применяете два оборота, индуктивность не удваивается, она увеличивается в четыре раза. Таким образом, два оборота означают 4 эээ. "И что?" ты можешь сказать!

Ну, для данного приложенного напряжения переменного тока ток, взятый этой двух витковой обмоткой, составляет одну четвертую тока от одной витковой обмотки. Обратите внимание, потому что это фундаментально для понимания насыщенности ядра.

Что вызывает насыщение ядра (чего следует избегать)? Ответ текущий и количество оборотов. Это называется магнитной движущей силой и имеет размеры ампер-витков.

Таким образом, при двух витках и одной четверти тока, ампер-витки (магнитодвижущая сила) вдвое меньше, чем в однооборотной обмотке. Итак, сразу же мы можем заметить, что если два витка уводят сердечник к «краю» насыщения, то однооборотная катушка значительно насыщает и будет большой проблемой.

Это основная причина, почему трансформаторы используют много первичных витков. Если определенный трансформатор имеет 800 витков и находится в точке насыщения, значительное уменьшение витков приведет к насыщению сердечника.

Что происходит, когда ядро ​​насыщается, вы можете спросить. Индуктивность начинает падать, и берется больше тока, и это все больше и больше насыщает сердечник, вы должны увидеть, куда это идет.

Обратите внимание, что этот ответ не рассматривал ничего, кроме первичной обмотки; в действительности мы говорим только о первичной индуктивности намагничивания - только это и только это может насытить ядро. Вторичные токи нагрузки не играют роли в насыщении сердечника.

Также обратите внимание, что трансформаторы, используемые в высокоскоростных импульсных источниках питания, имеют относительно небольшое количество витков; 10 Генри при 50 Гц имеет полное сопротивление 3142 Ом, а 1 мГн при 500 кГц имеет точно такой же импеданс. Для сердечника, который естественным образом вырабатывает 10 мкГн за один оборот, для намотки 1 мГн требуется десять витков (помните, что в формуле для индуктивности витки квадратов в квадрате). Для того же ядра при 50 Гц (непрактично, конечно), 10 Генри требуется 1000 витков.

Если у вас есть железный сердечник для трансформатора, одна из его спецификаций гласит: «Сколько оборотов должна иметь одна обмотка на один вольт, когда задана частота». Нельзя обойти эту спецификацию и иметь меньше поворотов, не имея следующих последствий

• снижение эффективности
• более нежелательный поперечный ток, который только вызывает потери, но не делает ничего полезного для процесса преобразования напряжения

Поперечный ток может быть уменьшен путем увеличения индуктивности первичной обмотки.

Характеристики поворотов / вольт являются следствием следующего списка фактов, которые имеют тенденцию уменьшать индуктивность катушки:

• железный материал имеет ограниченную магнитную проницаемость
• железное ядро ​​не может быть сделано из полного железа. Он разделен на тонкие изолированные слои, чтобы вихревые токи в сердечнике были достаточно малы. Изоляция занимает свое место, и это от железа
• магнитный поток одной обмотки частично обходит железо и другие обмотки
• слишком большой поперечный ток вызывает магнитное насыщение в железе. Насыщенность радикально снижает магнитную проницаемость

Как можно бороться с этим, добавляя больше ходов? Это потому, что индуктивность растет как квадрат числа витков. Можно искриться: но намагниченность (= поворачивает х ток) тоже растет! Правда, но он растет только линейно, поэтому достаточно поворотов, а затем, наконец, индуктивность достаточно высока, чтобы преодолеть недостатки.

Собственно, не все недостатки. Пространство ограничено. Таким образом, большее количество витков означает, что провод должен быть тоньше. Это увеличивает сопротивление и резистивные потери (= нагрев).

Трансформаторы работают, передавая энергию с помощью магнитного потока с одной стороны на другую.

Обе стороны состоят из индукторов, первичный индуктор создает магнитное поле, которое индуцируется во вторичный индуктор.

Индуктивность определяет способность создавать магнитный поток ( ) из тока и пропорциональна:$\Phi$

Индуктивность индуктора определяется числом витков (рядом с площадью или размером):

Смотрите Википедию по индуктивности

Маленький трансформатор обычно желателен, поэтому больше витков лучше, чем больших размеров (проще говоря).

Индуктивность должна соответствовать частоте сети. В противном случае первичная обмотка будет либо позволять достаточному электрическому и, следовательно, магнитному току течь (для более высоких частот), либо больше похожа на короткое замыкание (для более низких частот). И то, и другое не желательно.

Более низкие частоты требуют большей индуктивности (= больше витков или больше ядер). Это причина, по которой в импульсных источниках питания, использующих более высокие частоты в сотнях кГц-МГц, используются такие маленькие трансформаторы, которые способны передавать гораздо большую мощность по сравнению с обычными трансформаторами.

Цитата из статьи Википедии о трансформаторах :

ЭДС трансформатора при заданной плотности потока увеличивается с частотой. ^[16] Работая на более высоких частотах, трансформаторы могут быть физически более компактными, поскольку конкретное ядро ​​способно передавать больше мощности без достижения насыщения, и для достижения того же полного сопротивления требуется меньшее количество витков .

(Акцент мой.)

Смотрите Википедию о влиянии частоты на трансформаторы

Так,

• мощность, которую должен передавать трансформатор, определяется током, протекающим через его катушки
• ток, который должен провести провод, определяет толщину провода (который играет на размер)
• Размер катушки и количество витков определяют индуктивность
• индуктивность на определенной частоте определяет способность передавать энергию

Вывод: вам нужно увеличить физический трансформатор, чтобы уменьшить количество обмоток. При уменьшении количества обмоток вы снижаете КПД и увеличиваете потери. И это обычно не желательно.

Пиковое магнитное поле в сердечнике связано с пиковым приложенным напряжением на оборот. Чем больше площадь сердечника, тем больше вольт за ход может быть сгенерировано.

Нельзя допустить, чтобы магнитное поле в сердечнике превышало определенное значение насыщения, если оно имеет значение, тогда проницаемость железа падает, и трансформатор должен потреблять на несколько порядков больше тока для поддержания намагниченности. Таким образом, это строго ограничивает количество поддерживаемых вольт на виток и дает минимальное количество витков для любой обмотки.

Для типичного маленького (50 ВА, да?) Тороидального сердечника, который я должен передать, поперечное сечение сердечника составляет 25 мм на 13 мм. Если я запускаю сердечник с пиком потока при ± 1,8 Тл при 50 Гц, он будет генерировать пик около 170 мВ за ход. Таким образом, для обмотки 12 Vrms потребуется 100 витков, для обмотки сети 240 В потребуется 2000 оборотов. Я мог бы использовать больше оборотов, чем это, но меньшее количество оборотов привело бы к насыщению сердечника.

Если бы я использовал сердечник с площадью поперечного сечения железнодорожной шпалы, 130 мм х 250 мм, я мог бы получить 12 Vrms за один оборот, но также довольно громоздкий трансформатор.

Ваша основная предпосылка неверна, поэтому на этот вопрос невозможно ответить.

Трансформаторы бывают разных типов напряжения и тока для своих входов и выходов. Некоторые используют много витков тонкой проволоки (высокое напряжение, низкий ток). Некоторые используют несколько витков толстой проволоки (низкое напряжение, большой ток).

Таким образом, ответ «Почему они не ...» , «Они делают» (когда это уместно).

Для тех, кто не любит этот ответ

Я вижу, что этот ответ получил множество отрицательных и примерно одинаковых голосов. Очевидно, это противоречиво. Некоторые считают его низким качеством, особенно после того, как другие в своих комментариях рассуждают об истинном значении ФП.

Несмотря на то, что другие думают, что OP имел в виду, он начал с явно ложной предпосылки: трансформаторы имеют по 100 оборотов как на своих первичных, так и на вторичных элементах, и что всегда используется «тонкий» медный провод. Тогда это звучит как один из тех риторических вопросов «Почему все не делают этого другим очевидным способом» .

Это то, что я ответил. Это правильный ответ на вопрос, истолкованный выше. Возможно, это не то, что хотел спросить ОП . Возможно это так. Обратите внимание, что ОП не вернулся, чтобы дать какие-либо разъяснения или отредактировать вопрос вообще.

Гораздо лучший вопрос был бы о компромиссе между меньшим количеством витков толстой проволоки и большим количеством витков тонкой проволоки. На этот вопрос с уважением, без предварительного вынесения суждения или предположения о ложных посылках, был бы получен совершенно иной ответ. Однако, опять же, это то, о чем фактически спрашивали, и даже не то, что, по-видимому, означало ОП.

Даже если ФП вернется и изменит вопрос, я оставлю этот ответ в качестве напоминания, чтобы задавать вопросы правильно и недвусмысленно, и не начинать с того, что неверные предположения приводятся как факты.