Dlaczego transformatory używają tak wielu zwojów?

48

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)

transformer

— użytkownik3503966
źródło

14

Czy w zasadzie pytasz: „Dlaczego projektant transformatorów potrzebowałby transformatora pobierającego napięcie 120 VAC i gaszącego 12,6 VAC, a zatem wymagającego stosunku 10: 1 zwojów, użyj 1000 zwojów pierwotnego i 100 zwojów wtórnych zamiast 600 włącza pierwotny, a 60 włącza wtórny? Jaki czynnik decyduje o tym wyborze? ” Czy to twoje pytanie?

— jonk

7

„Transformatory mają setki zwojów zarówno na uzwojeniu wtórnym, jak i pierwotnym” . Nie, oni nie, przynajmniej nie zawsze. Świetnym przykładem jest pistolet do lutowania. Zazwyczaj mają one jeden obrót wtórny.

— Olin Lathrop

2

Transformatory często wykorzystują 10% prądu znamionowego mocy tylko do namagnesowania rdzenia, aby poprawić współczynnik sprzężenia bliższy 1. Tak więc nawet pistolet lutowniczy ma tysiąc zwojów pierwotnych, aby osiągnąć ten 100mA lub mniej prądu V / (2pifL), a następnie użyj > 1 A przy 120 V dla 125 W. Liczba zwojów określa wartość pierwotnego L, a nie średnicy drutu. Jednoobrotowy drugorzędny pozwala na wysoki współczynnik wzmocnienia prądu. Im mniejszy transformator, tym więcej zwojów potrzeba do podniesienia impedancji bez obciążenia i zmniejszenia prądu bez obciążenia do <= 10%

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

5

Jeśli pomaga to zrozumieć bardziej intuicyjnie, mniej zwojów tworzy okropny magnes. Ponadto zwoje NO powodują, że funkcjonalnie staje się on zwarciem zwarciowym, co jest bardzo przydatne w przypadku transformatora wykrywającego prąd, ale jest głupie i niebezpieczne dla potencjalnego transformatora, ponieważ martwe zwarcia w znacznych ilościach napięcia mają tendencję do wybuchania.

— Sean Boddy

1

Przeczytaj pytanie jako: dlaczego transformatory używają tylu zwojów do transformacji ...

— zx8754

63

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.

— mkeith
źródło

1

Prawidłowo, a także wspomnij o rzeczywistej przepuszczalności rdzenia i wymiarach rdzenia. Na przykład, jeśli mu żelaza byłoby 1000 razy wyższe, to pierwszorzędowe 1-turowe pierwotne działałyby dobrze. Lub nawiń nasze obroty podstawowe 1-obrotowe na wielotonowe rdzenie żelazne o szerokości jednego metra. (Heh, lub porzuć 60 Hz i skorzystaj z sieci energetycznej 30 KHz, jak w lotnictwie.)

— wbeaty 6'17

1

@wbeaty Nie, przepuszczalność nie wpływa na nasycenie. Jeśli chcesz 1 obrót pierwotny w tym rozmiarze rdzenia, potrzebujesz żelaza nasyconego w 2000T zamiast 2T. Rdzenie o szerokości metra będą działać!

— Neil_UK

1

@mkeith Podczas gdy indukcyjność utrzymuje prąd na niskim poziomie, indukcyjność zależy od przepuszczalności rdzenia, która zapadnie się, jeśli strumień rdzenia wzrośnie powyżej nasycenia. Musimy zaprojektować wystarczającą liczbę obrotów, aby utrzymać wystarczająco niskie pole rdzenia. Gdybyśmy mogli podwoić przepuszczalność żelaza, a to zmniejszyłoby o połowę pobierany prąd magnesujący, nie zmniejszyłoby o połowę liczby zwojów, które moglibyśmy wykorzystać.

— Neil_UK

Należy pamiętać, że częstotliwość jest ważna - podobnie oceniany transformator VA działający na statku powietrznym przy 440 Hz będzie znacznie mniejszy i będzie wymagał mniejszej liczby zwojów (a zatem mniej miedzi, mniejszej masy itp.).

— Adam Davis,

37

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.

— Andy aka
źródło

Komentarze nie są przeznaczone do rozszerzonej dyskusji; ta rozmowa została przeniesiona do czatu .

— Dave Tweed

4

@DaveTweed Nie zgadzam się z tak wczesnym usunięciem komentarzy, które wskazują na poważną wadę techniczną odpowiedzi.

— Massimo Ortolano,

Nie zgadzam się z @MassimoOrtolano, gdy twierdzi on, że nasycenie rdzenia nie jest spowodowane prądem. Bio Savart informuje, że strumień magnetyczny jest wprost proporcjonalny do prądu. I nie ma to żadnego znaczenia, jeśli rzecz jest transformatorem lub anteną pętlową. Słyszałem argumenty i akceptuję, że możesz użyć woltów sekund, ale dlaczego massimo zaprzecza powiązaniu między prądem a strumieniem. To właśnie nazywam wadą techniczną. Dlaczego massimo nie stosuje tego samego przedłużonego leczenia w przypadku innych odpowiedzi, które mówią to samo?

— Andy alias

@MassimoOrtolano: Komentarze nie zostały usunięte, zostały po prostu przeniesione do pokoju rozmów. Kliknij link podany powyżej. I proszę kontynuować dyskusję tam. Jeśli dojdziesz do jakichkolwiek wniosków, opublikuj je tutaj.

— Dave Tweed

15

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).

— użytkownik 287001
źródło

10

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: $\Phi$

L = \frac{d Φ}{d i} and d Φ = L * d i

$L = { d\Phi \over di } \text{ and } d\Phi = L * di$

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

N = \frac{µ N ² A}{l} (simplified, reduced winding-area-length relation)

$N = { µ N² A \over l } \text{ (simplified, reduced winding-area-length relation) }$

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.

— spróbuj złapać w końcu
źródło

8

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.

— Neil_UK
źródło

Warto zauważyć, że „podkład kolejowy”, który ludzie w Stanach Zjednoczonych nazywaliby „krawatem”; kiedy po raz pierwszy zobaczyłem ten termin, zanim przeczytałem wymiary, pomyślałem, że autor odnosi się do powozu w stylu Pullmana.

— supercat

Czy mógłbyś podać jakieś numeryczne odniesienie do tego, skąd bierzesz te liczby? Rozejrzałem się po Internecie trochę poza podstawową formułą N1 / N2 i niektórymi formułami „magicznej liczby” Mam problem ze znalezieniem spójnej odpowiedzi, która opisuje, dlaczego dba się o liczbę zwojów, częstotliwość i rdzeń rozmiar transformatora. Byłbym wdzięczny, gdybyś miał po prostu dokument referencyjny z tymi informacjami - z tymi wszystkimi (błędnymi) informacjami rozprzestrzeniającymi się wokół, obawiam się, że po prostu potrzebuję przeczytać podręcznik, aby zaprojektować prosty transformator.

— hedgepig

1

@inkyvoyd 25 mm x 13 mm jest mierzony od mojego rdzenia za pomocą zacisków, 1,8 T dla strumienia szczytowego pochodzi z arkuszy danych żelazka transformatorowego. Transformacja między strumieniem, obszarem, częstotliwością i napięciem wynika z prawa Faradaya. Przykład takiego działania można zobaczyć w innej z moich odpowiedzi tutaj

— Neil_UK

0

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.

— Olin Lathrop
źródło

Nie oznaczaj odpowiedzi jako niskiej jakości, chyba że są spamem lub nie stanowią odpowiedzi. Jeśli ci się nie podoba, oceń to.

— Skok napięcia

@ laptop2d: Do kogo jest skierowany?

— Dave Tweed

1

@ laptop2d nie, po to jest flaga „brak odpowiedzi”. to uosobienie niskiej jakości.

— Passerby,

@ laptop2d również, system automatycznie umieszcza mocno odrzucone odpowiedzi w tej kolejce. Naprawdę musisz ponownie przeczytać wskazówki na temat niskiej jakości, zanim wypowiesz takie zdanie.

— Passerby

@Passe i inne. Zobacz dodatek do odpowiedzi. To odpowiada na pytania . Możemy nie zgadzać się z interpretacją tego dwuznacznego pytania, ale jest to ważna odpowiedź na jedną interpretację, której nie można zlekceważyć.

— Olin Lathrop,