Имеет ли значение соотношение витков в трансформаторах?

Большое значение имеет количество витков трансформатора. Коэффициент трансформации является одним из многих соображений при проектировании трансформатора. Ниже приведены общие соображения при проектировании трансформатора.

• Как заявил Тобальт, важна индуктивность намагничивания . Слишком малое количество витков будет потреблять избыточный ток даже без нагрузки.
• Нужно минимум витков, чтобы не допустить насыщения сердечника. Количество витков определяет плотность потока . Если ядро ​​насыщается, ваш первичный источник начинает выглядеть как короткое замыкание для драйвера. Вы также можете контролировать насыщение трансформатора, изменяя эффективную площадь сердечника.
• Увеличение числа витков увеличивает индуктивность рассеяния (может быть смоделирована как последовательная индуктивность в первичных или вторичных проводах), что может быть нежелательно. Есть случаи, когда желательна индуктивность рассеяния. Индуктивность рассеяния также можно контролировать, управляя физическим расположением обмоток, и это может увеличить стоимость за счет повышенной сложности сборки.
• Увеличение числа витков снизит резонансную частоту трансформатора (большая индуктивность, большая собственная емкость). Вы хотите, чтобы резонансная частота была выше максимальной рабочей частоты как минимум в 5 раз (мое эмпирическое правило).
• Диаметр и тип провода (одиночный, пучок, многожильный) важны и влияют на потери в обмотке (медь) . Для трансформатора, работающего на одной частоте, существует оптимальный диаметр провода, который уравновешивает потери в меди переменного тока (вихревые потери: эффект близости , который проявляется на частотах ниже примерно 1 МГц, и скин-эффект ) и потери в меди постоянного тока. Эффект близости можно уменьшить с помощью пучков или литцендрата, скин-эффект можно уменьшить с помощью литцендрата — оба варианта являются дорогими. Потери в меди являются важным фактором в силовых трансформаторах.
• Потери в сердечнике зависят от плотности потока. Меньшее количество витков имеет более высокую плотность потока, что означает более высокие потери в сердечнике. Потери в сердечнике являются важным фактором в силовых трансформаторах.

Любой заданный материал сердечника, поперечное сечение и частота имеют максимальное значение вольт на виток. Если вы хотите использовать обмотку при определенном напряжении, вам нужно достаточно витков, чтобы поддерживать это напряжение.

Например, сталь низкочастотного сетевого трансформатора будет работать только с пиковым полем 1,7 Тл или около того, прежде чем оно достигнет насыщения. Если бы у вас был сердечник размером 10 мм x 20 мм, и вы хотели бы запустить его на частоте 50 Гц, то самое быстрое колебание поля для синусоидального напряжения составляет 2pi.Bf = 6,28x1,7x50 = 534 Тл/с. На 200 мм ² сердечника пиковая скорость изменения потока составляет 0,1 Вебера/с, что означает, что сердечник на этой частоте будет поддерживать только 0,1 В/виток.

Сетевая обмотка на 240 В среднеквадратичного значения на этом сердечнике должна поддерживать 340 Впик, поэтому потребуется минимум 3400 витков.

Очевидно, что B действительно имеет некоторые преимущества. В противном случае все трансформаторы использовали бы крошечное количество витков. Чем больше витков, тем больше индуктивность намагничивания.$L_M \propto N^2$.

Представьте себе трансформатор с разомкнутой вторичной обмоткой, который по сути является большой катушкой индуктивности. Если вы подключаете переменное напряжение с частотой$f$к первичке, он увидит импеданс$2 \pi f L_M$. Если этот импеданс слишком низок, большой ток будет протекать через первичную обмотку и бесполезно теряться. Этот избыточный ток также будет присутствовать в дополнение к обычному току нагрузки при подключении вторичной обмотки. Поэтому избыточный ток должен быть сведен к минимуму и$L_M$должно быть максимальным. На практике существует компромисс между достаточно большим$L_M$и небольшой/дешевый трансформатор, поэтому$N$не будет ни <10, ни чрезвычайно высоким.

Примеры:

• Для трансформатора SMPS, где самая низкая частота составляет, возможно, 100 кГц, вам не нужно много$L_M$чтобы предотвратить чрезмерный первичный ток, поэтому достаточно небольшого количества витков.
• Для микрофонного трансформатора у вас есть нижняя конечная частота, возможно, 20 Гц, и, кроме того, вы не хотите слишком сильно нагружать источник сигнала, поэтому вам нужно много$L_M$, что может означать 1000 оборотов на первичной обмотке.
• Сетевые трансформаторы 50 Гц также нуждаются в больших$L_M$, потому что первичное напряжение высокое, частота низкая, и ток холостого хода должен быть низким.

Конструкция трансформатора должна оптимизировать множество различных переменных. И я не эксперт. Но первичная обмотка трансформатора должна иметь достаточно витков, чтобы она действовала как большая катушка индуктивности и предотвращала протекание чрезмерного тока. Если вы возьмете конкретный сердечник трансформатора, вы можете либо намотать первичную обмотку с большим количеством витков тонкого провода (первичная обмотка высокого напряжения), либо с меньшим количеством витков более толстой проволоки (первичная обмотка более низкого напряжения).

Но в обоих случаях вы ДОЛЖНЫ заполнить всю площадь обмотки медью, чтобы убедиться, что трансформатор будет работать хорошо, иметь низкое сопротивление и выдерживать номинальную мощность.

Нельзя просто поставить один виток тонкой проволоки. Это в основном короткое замыкание, а не трансформатор. Итак, если вы выбираете сердечник трансформатора исходя из требований к мощности, затем выбираете свое рабочее напряжение, тогда вы можете рассчитать, сколько витков необходимо для предотвращения перенасыщения сердечника. ТОГДА вы выбираете диаметр провода, который будет эффективно заполнять доступное пространство.

Примерно так работает процесс проектирования. Как только первичная обмотка установлена, вы выбираете количество витков вторичной обмотки, чтобы получить желаемое вторичное напряжение. Как только вы узнаете количество вторичных витков, вы выбираете диаметр провода, который эффективно заполняет пространство.

Как правило, вы получаете много витков первичной обмотки силовых трансформаторов на 50 или 60 Гц.