Как трансформатор увеличивает напряжение при уменьшении тока?

Закон Ома гласит, что V = IR. Это означает, что когда мы увеличиваем напряжение, мы также должны увеличивать ток (I).

Это верно при питании резистора.

Но трансформатор увеличивает ток при уменьшении напряжения или уменьшает ток при увеличении напряжения.

Трансформатор не является резистором, поэтому закон Ома для него не применим.

Как это происходит?

Трансформатор представляет собой электрический редуктор.

        | In                      | Out
--------+-------------------------+-------------------------
Gearbox | High speed, low torque. | Low speed, high torque.
Trafo   | High V, low I           | Low V, high I

Важно понимать, что (без учета потерь) входная мощность = выходная мощность. Из закона Джоуля-Ленца мы знаем, что P = VI, поэтому, если V уменьшается, I должно увеличиваться обратно пропорционально.

«когда мы увеличиваем напряжение, мы также должны увеличивать ток (I)», в то время как R остается постоянным.

Вы должны смотреть на трансформатор с точки зрения мощности: P=I*V

и мощность на входе = мощность на выходе,

Теперь, если у вас 10 В на входе и 1 А, то это 10 Вт, поэтому выходная мощность составляет 10 Вт.

Если у вас в 10 раз больше витков на выходе по сравнению с входом, вы получите 100 В, но при 0,1 А, т.е. 100 * 0,1 - это 10 Вт.

Если у вас в 10 раз больше витков на входе по сравнению с выходом, вы получите 1 В, но при 10 А, т.е. 1 * 10 составляет 10 Вт.

Провод, используемый для каждой обмотки, должен иметь достаточную толщину, т.е. быть толще для более высокого тока. Любые потери были проигнорированы.

«Левая» сторона трансформатора (сторона, к которой приложено напряжение) подчиняется закону Ома (технически это обобщенная форма, которая описывает импеданс, а не просто сопротивление). Токи и напряжения, которые, кажется, не подчиняются закону Ома, возникают на другой стороне трансформатора, в электрически изолированной цепи. Закон Ома описывает не то, как связаны между собой две цепи, а то, как напряжение связано с током в одной и той же цепи.

Трансформатор использует общий поток сердечника в качестве механизма отрицательной обратной связи. Первичный и вторичный потоки ПОЧТИ полностью компенсируются, а остаточный ток называется «намагничивающим потоком».

Если поток намагничивания становится слишком маленьким, то больше энергии берется из первичной обмотки (источника энергии), и потока в сердечнике снова достаточно для производства того, что требуется вторичной обмотке.

Точно так же, если первичная обмотка имеет 100 витков с током Ip, а вторичная обмотка имеет 300 витков, то вторичная обмотка может отдавать только 1/3 тока до того, как поток, создаваемый вторичной обмоткой, уравновесит (отменит) первичный поток.

Опять же, сердечник трансформатора является суммирующим механизмом для системы регулирования с отрицательной обратной связью.

Вы путаете функцию «Трансформатор без потерь» с функцией резистора. Функция резистора заключается в преобразовании приложенного напряжения и тока в тепловую энергию для рассеяния. Функция трансформатора заключается в преобразовании приложенного входного напряжения и тока в другое напряжение и ток без ДИССИПАТИВНЫХ ПОТЕРЬ. При 10 Вт на входе трансформатора у вас будет 10 Вт на выходе. Таким образом, вы используете другую модель для определения трансформатора, чем резистор.

Очевидно, что «трансформатор без потерь» существует только в наших симуляциях и мыслительных упражнениях. Но для практических целей это позволяет нам использовать простой набор правил о напряжении и токе для определения интересующего критического поведения трансформатора, не прибегая к сводящему с ума миру уравнений Максвелла и различных других математических функций высокого уровня. Это упрощение позволяет нам использовать соотношение витков для прогнозирования напряжений и токов. С учетом сказанного мы знаем, что трансформатор со 100 витками на первичной обмотке и 10 витками на вторичной обмотке имеет коэффициент трансформации 10. Таким образом, если трансформатор имеет 100 В переменного тока на входе, трансформатор без потерь будет иметь 10 вольт на выходе. Точно так же, если входная обмотка потребляет 1 ампер, то выход подает на нагрузку 10 ампер.

В реальном мире в обмотках используется провод, обладающий сопротивлением. Мощность теряется на сопротивлениях этих проводов как в первичной, так и во вторичной обмотке. Brain Trust of Transformer Designers за более чем 100 лет проектирования трансформаторов разработал очень эффективные сердечники с проводом с низким сопротивлением, что позволило нам получить готовые трансформаторы с эффективностью более 98%. Здесь применим закон Ома, но большинство пользователей трансформаторов прикладного уровня могут игнорировать потери. Конечно, если вы являетесь коммунальным предприятием, таким как ConEdison, с генераторами, передающими 10 мегаватт, эти 2% по 10 центов за киловатт-час складываются очень быстро и создают очень возбудимую группу счетчиков бобов.

Закон Ома гласит, что ток в проводнике между двумя точками прямо пропорционален напряжению в (одних и тех же) двух точках. Это применимо ко всем цепям, и трансформатор не является исключением. Ошибка, приведшая к противоречию, заключается в том, что (убывающий) ток измеряется не между теми же точками, где находится (возрастающее) напряжение. Ток измеряется в первичной обмотке, а напряжение измеряется во вторичной. Если мы будем измерять ток и напряжение на одной стороне трансформатора, мы обнаружим, что закон Ома все еще в силе. Более того, если мы сравним$\frac{V}{I}$отношения на разных сторонах трансформатора, мы обнаружим, что трансформатор изменяет не только напряжения и токи, но и кажущееся сопротивление (импеданс). Например, если идеальный трансформатор уменьшает напряжение в 2 раза (коэффициент витка равен 2), а вторичная обмотка нагружена резистором R, то сопротивление (импеданс) на первичной стороне будет выглядеть как$R\cdot2^2$. Итак, кажущееся сопротивление трансформируется на коэффициент квадрата отношения витков.