Perché i trasformatori usano così tanti turni?

I trasformatori hanno centinaia di giri sia sull'avvolgimento secondario che su quello primario e, di conseguenza, usano fili di rame molto sottili per ciascuno. Ma perché non usano solo meno giri su ogni avvolgimento e ottengono lo stesso rapporto di tensione?

Ancora più importante, perché non usare meno giri di un filo più spesso per un VA aumentato? (invece di 1000: 100 giri di filo da 22 awg, perché non 100: 10 giri di filo da 16 awg se questo aumentasse VA)

Quando si applica la tensione all'avvolgimento primario di un trasformatore di potenza, una certa corrente scorrerà, anche quando il secondario è un circuito aperto. La quantità di questa corrente è determinata dall'induttanza della bobina primaria. Il primario deve avere un'induttanza abbastanza elevata da mantenere tale corrente ragionevole. Per i trasformatori di potenza a 50 o 60 Hz, questa induttanza è piuttosto elevata e in genere non è possibile arrivarci con un piccolo numero di giri nell'avvolgimento.

Se avessi solo 1 giro su un nucleo di ferro, potrebbe avere un'induttanza di (diciamo) 1 uH. Quando si applicano due turni, l'induttanza non raddoppia, ma quadruplica. Quindi due turni significano 4 uH. "E allora?" potresti dire!

Bene, per una data tensione AC applicata, la corrente assorbita da quell'avvolgimento a due giri è un quarto della corrente per un avvolgimento a giro singolo. Prendi nota perché questo è fondamentale per comprendere la saturazione del nucleo.

Cosa causa la saturazione del nucleo (qualcosa che deve essere ampiamente evitato)? La risposta è la corrente e il numero di turni. Si chiama forza motrice magneto e ha dimensioni di giri di ampere.

Quindi, con due giri e un quarto della corrente, i giri dell'ampere (forza motrice magneto) sono la metà di quelli di un avvolgimento a giro singolo. Quindi, immediatamente possiamo osservare che se due giri portassero il nucleo al "bordo" della saturazione, una bobina a singolo giro si saturerebbe in modo significativo e rappresenterebbe un grosso problema.

Questo è il motivo fondamentale per cui i trasformatori usano molti turni primari. Se un determinato trasformatore ha 800 giri ed è nel punto di saturazione, ridurre significativamente i giri saturerà il nucleo.

Cosa succede quando il nucleo si satura si potrebbe chiedere. L'induttanza inizia a calare e viene assorbita più corrente e questo satura sempre più il nucleo, dovresti vedere dove sta andando.

Si noti che questa risposta non ha considerato altro che l'avvolgimento primario; in effetti stiamo solo parlando dell'induttanza di magnetizzazione primaria - è questo e questo da solo che può saturare il nucleo. Le correnti di carico secondarie non hanno alcun ruolo da svolgere nella saturazione del nucleo.

Si noti inoltre che i trasformatori utilizzati negli alimentatori a commutazione ad alta velocità hanno relativamente pochi giri; 10 Henry a 50 Hz ha un'impedenza di 3142 ohm e 1 mH a 500 kHz ha esattamente la stessa impedenza. Per un nucleo che produce naturalmente 10 uH per un singolo turno, per caricare 1 mH sono necessari dieci turni (ricordate che sono i quadratini nella formula per l'induttanza). Per lo stesso core a 50 Hz (ovviamente poco pratico), 10 henry richiedono 1000 giri.

Se hai un nucleo di ferro per un trasformatore, una delle sue specifiche è "quante curve deve avere un avvolgimento per un volt quando viene data la frequenza". Non si può bypassare questa specifica e avere meno curve senza avere le seguenti conseguenze

• efficienza ridotta
• corrente trasversale più indesiderata che causa solo perdite, ma non è utile per il processo di trasformazione della tensione

La corrente trasversale può essere ridotta aumentando l'induttanza dell'avvolgimento primario.

Le specifiche di giri / volt sono una conseguenza del seguente elenco di fatti che hanno tutti la tendenza a ridurre le induttanze della bobina:

• il materiale di ferro ha una permeabilità magnetica limitata
• il nucleo di ferro non può essere fatto di ferro pieno. È diviso in strati isolanti sottili per mantenere le correnti parassite abbastanza piccole nel nucleo. L'isolamento prende il suo spazio e questo è lontano dal ferro
• il flusso magnetico di un avvolgimento bypassa parzialmente il ferro e gli altri avvolgimenti
• troppa corrente trasversale provoca saturazione magnetica nel ferro. La saturazione riduce radicalmente la permeabilità magnetica

Come si può combattere contro questi aggiungendo più turni? È perché l'induttanza cresce come il quadrato del numero di giri. Si può arque: ma cresce anche la magnetizzazione (= gira x corrente)! È vero, ma cresce solo in modo lineare, quindi gira abbastanza, quindi finalmente l'induttanza è abbastanza alta da superare gli svantaggi.

Esatto, non tutti gli svantaggi. Lo spazio è limitato Quindi più giri significa che il filo deve essere più sottile. Ciò aumenta la resistenza e le perdite resistive (= riscaldamento).

I trasformatori funzionano trasferendo energia attraverso il flusso magnetico da un lato all'altro.

Entrambi i lati sono costituiti da induttori, l'induttore primario crea un campo magnetico, che viene indotto nell'induttore secondario.

$\Phi$

L'induttanza di un induttore è determinata dal numero di giri (accanto all'area o alla dimensione):

Vedi Wikipedia su di induttanza

Di solito è desiderabile un piccolo trasformatore, quindi più giri è meglio di dimensioni maggiori (semplicemente).

L'induttanza deve corrispondere alla frequenza di rete. Altrimenti l'avvolgimento primario consentirebbe ora di fluire abbastanza corrente elettrica e quindi magnetica (per frequenze più alte) o è più simile a un corto circuito (per frequenze più basse). Entrambi non sono desiderabili.

Le frequenze più basse richiedono un'induttanza più elevata (= più giri o core più grandi). Questo è il motivo per cui gli alimentatori a commutazione, utilizzando frequenze più alte nei segreti della gamma kHz - MHz, utilizzano trasformatori così piccoli pur essendo in grado di trasferire molta più energia rispetto ai trasformatori convenzionali.

Una citazione dall'articolo di Wikipedia sui trasformatori :

L'EMF di un trasformatore a una data densità di flusso aumenta con la frequenza. ^[16] Operando a frequenze più alte, i trasformatori possono essere fisicamente più compatti perché un dato nucleo è in grado di trasferire più potenza senza raggiungere la saturazione e sono necessari meno giri per ottenere la stessa impedenza .

(Enfasi mia.)

Vedi Wikipedia sull'effetto della frequenza sui trasformatori

Così,

• la potenza che il trasformatore deve trasferire è determinata dalla corrente che scorre attraverso le sue bobine
• la corrente che il filo deve condurre determina lo spessore del filo (che gioca nella dimensione)
• la dimensione della bobina e il numero di giri determinano l'induttanza
• l'induttanza a una certa frequenza determina la capacità di trasferire energia

Conclusione: è necessario aumentare fisicamente il trasformatore per ridurre il numero di avvolgimenti. Riducendo il numero di avvolgimenti si riduce l'efficienza e si aumentano le perdite. E questo di solito non è desiderabile.

Il campo magnetico di picco nel nucleo è correlato alla tensione di picco applicata per giro. Maggiore è l'area del nucleo, più volt si possono generare per turno.

Al campo magnetico nel nucleo non può essere permesso di superare un certo valore di saturazione, se lo fa la permeabilità del ferro scende e il trasformatore deve assorbire ordini di grandezza più corrente per mantenere la magnetizzazione. Quindi questo limita rigorosamente il numero di volt per turno che può essere supportato, e quindi ti dà un numero minimo di giri per ogni avvolgimento.

Per un tipico nucleo toroidale piccolo (50 VA, ish?) Che devo usare, la sezione del nucleo è di 25 mm per 13 mm. Se eseguo il core con il picco di picco a ± 1,8 T a 50 Hz, genererà un picco di circa 170 mV per giro. Quindi un avvolgimento a 12 Vrms richiederebbe 100 giri, l'avvolgimento di rete a 240 V avrebbe bisogno di 2000. Potrei usare più giri di questo, ma un minor numero di giri spingerebbe il nucleo in saturazione.

Se avessi usato un nucleo con la sezione trasversale di una traversina ferroviaria, 130 mm x 250 mm, avrei potuto ottenere 12 Vrms in un singolo giro, ma anche un trasformatore piuttosto ingombrante.

La tua premessa di base è falsa, quindi non è possibile rispondere alla domanda.

I trasformatori sono disponibili in molte varietà di tensione e corrente per i loro ingressi e uscite. Alcuni usano molti giri di filo sottile (alta tensione, bassa corrente). Alcuni usano pochi giri di filo spesso (bassa tensione, alta corrente).

Quindi la risposta a "Perché non lo fanno ..." , è "Lo fanno" (quando è appropriato).

A quelli a cui non piace questa risposta

Vedo che questa risposta ha ottenuto un numero di voti negativi e circa lo stesso numero di voti positivi. Ovviamente è controverso. Alcuni lo vedono come di bassa qualità, specialmente dopo che altri hanno speculato sul vero significato del PO nei commenti.

Nonostante ciò che gli altri pensino intendesse il PO, ha iniziato con una premessa blasamente falsa, ovvero che i trasformatori hanno centinaia di giri sia sulle loro primarie che secondarie e che il filo di rame "sottile" viene sempre utilizzato. Sembra quindi una di quelle domande retoriche "Perché non lo fanno tutti in questo altro modo ovvio" .

Questo è quello che ho risposto. È la risposta corretta alla domanda come interpretata sopra. Forse non è quello che l'OP intendeva chiedere. Forse lo è. Si noti che l'OP non è tornato per fornire chiarimenti o modificare la domanda.

Una domanda molto migliore sarebbe stata sui compromessi di meno giri di filo spesso rispetto a più giri di filo sottile. Ciò che è stato rispettosamente rispettato senza prima giudicare o presumere false premesse avrebbe ottenuto una risposta molto diversa. Tuttavia, ancora una volta, questo è ciò che è stato effettivamente chiesto, e nemmeno quello che sembra significare il PO.

Anche se l'OP ritorna e cambia la domanda, lascerò che questa risposta sia un promemoria per porre domande in modo corretto e inequivocabile e non iniziare affermando ipotesi errate come fatti.