Почему трансформаторы используют так много витков?

Трансформаторы имеют сотни витков как на вторичной, так и на первичной обмотке, поэтому для каждого из них используются очень тонкие медные провода. Но почему они просто не используют меньше витков на каждой обмотке и не получают такое же отношение напряжения?

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

Вы в основном спрашиваете: «Зачем разработчику трансформатора, которому нужен трансформатор, принимающий входное напряжение 120 В переменного тока и выдающий 12,6 В переменного тока, и, следовательно, нуждающийся в соотношении витков 10: 1, использовать 1000 витков на первичной обмотке и 100 витков на вторичной обмотке вместо 600? включает первичную обмотку и 60 витков вторичной? Какой фактор определяет этот выбор?» Это твой вопрос?
«Трансформаторы имеют сотни витков как на вторичной, так и на первичной обмотке» . Нет, по крайней мере, не всегда. Отличным примером является паяльник. У них обычно одновитковая вторичка.
Трансформаторы часто заканчивают тем, что используют 10% номинального силового тока только для намагничивания сердечника, чтобы улучшить коэффициент связи ближе к 1. Таким образом, даже паяльник имеет тысячу витков на первичной обмотке, чтобы получить этот ток 100 мА или около того V/(2pifL), а затем использовать >1 А при 120 В для 125 Вт. Количество витков определяет значение первичной обмотки L, а не диаметр провода. Одновитковая вторичная обмотка обеспечивает высокий коэффициент повышения тока. Таким образом, чем меньше трансформатор, тем больше витков требуется для повышения импеданса холостого хода и снижения тока холостого хода до <=10%.
Если это поможет понять это более интуитивно, меньшее количество витков делает магнит ужасным. Кроме того, NO витки функционально превращают его в полное короткое замыкание, что очень полезно для трансформатора, чувствительного к току, но глупо и опасно для трансформатора напряжения, поскольку полное короткое замыкание при значительных значениях напряжения имеет тенденцию к взрыву.
Прочитайте вопрос так: почему трансформаторы используют так много витков для преобразования...
@Neil_UK Обвинение кого-либо в кукольном искусстве означает обвинение их в преднамеренном использовании нескольких учетных записей для создания ложного впечатления о консенсусе. Обвинять кого-то в этом довольно неприятно, поэтому, пожалуйста, не делайте этого без доказательств. Кажется гораздо более вероятным, что задавший этот вопрос просто не использовал средство поиска сайта.
@DavidRicherby У меня нет защиты, я даже не хочу находиться под влиянием чего-либо при публикации, хотя я заметил, что паре людей понравился комментарий. Я встречал людей, которые использовали второй аккаунт, чтобы им не говорили не задавать один и тот же вопрос дважды. Это отличается от сокизма, в котором я его не обвинял. Я извиняюсь и больше не буду этого делать, даже в шутку.
каким бы ни был ответ ... вопрос потрясающий.

Ответы (6)

Когда вы подаете напряжение на первичную обмотку силового трансформатора, некоторый ток будет протекать, даже когда вторичная цепь разомкнута. Величина этого тока определяется индуктивностью первичной катушки. Первичная обмотка должна иметь достаточно высокую индуктивность, чтобы поддерживать допустимый ток. Для силовых трансформаторов на 50 или 60 Гц эта индуктивность довольно высока, и вы обычно не можете получить ее с небольшим количеством витков в обмотке.

Исправьте, а также упомяните реальную проницаемость керна и размеры керна. Например, если мю железа окажется в 1000 раз выше, то 1-витковые первичные будут работать нормально. Или намотать наши 1-витковые первички на многотонные железные сердечники метровой ширины. (Хех, или отказаться от 60 Гц и использовать электросеть 30 кГц, как это делается в аэрокосмической отрасли.)
@wbeaty Нет, проницаемость не влияет на насыщенность. Если вам нужна первичная обмотка на 1 виток с ядром такого размера, вам понадобится железо, насыщенное при 2000T вместо 2T. Ядра шириной в метр подойдут!
@mkeith В то время как индуктивность удерживает ток на низком уровне, индуктивность зависит от проницаемости сердечника, которая рухнет, если поток сердечника превысит насыщение. Мы должны спроектировать достаточно витков, чтобы поддерживать достаточно низкое поле ядра. Если бы мы могли удвоить магнитную проницаемость железа, в то время как это уменьшило бы вдвое потребляемый ток намагничивания, это не уменьшило бы вдвое количество витков, которые мы могли бы использовать.
Обратите внимание, что частота важна - трансформатор с аналогичным номиналом ВА, работающий на самолете на частоте 440 Гц, будет намного меньше и потребует меньшего количества витков (и, следовательно, меньшего количества меди, меньшего веса и т. д.).

Если бы у вас был только 1 виток на железном сердечнике, он мог бы иметь индуктивность, скажем, 1 мкГн. При подаче двух витков индуктивность не удваивается, а увеличивается вчетверо. Таким образом, два витка означают 4 мкГн. "И что?" ты можешь сказать!

Что ж, для данного приложенного напряжения переменного тока ток, потребляемый этой двухвитковой обмоткой, составляет одну четверть тока для одновитковой обмотки. Обратите внимание, потому что это имеет основополагающее значение для понимания насыщения ядра.

Что вызывает насыщение ядра (чего следует избегать)? Ответ - ток и количество витков. Она называется магнитодвижущей силой и имеет размеры ампер-витков.

Таким образом, с двумя витками и одной четвертью тока ампер-витки (магнитодвижущая сила) вдвое меньше, чем у одновитковой обмотки. Итак, сразу же мы можем заметить, что если два витка доводят сердечник до «края» насыщения, то одновитковая катушка будет значительно насыщаться и будет большой проблемой.

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

Что происходит, когда ядро ​​насыщается, спросите вы. Индуктивность начинает падать, и потребляется больше тока, и это больше насыщает сердечник, и вы должны увидеть, к чему это идет.

Обратите внимание, что в этом ответе не учитывалось ничего, кроме первичной обмотки; по сути речь идет только о первичной индуктивности намагничивания - только она и только она может насытить сердечник. Вторичные токи нагрузки не играют никакой роли в насыщении сердечника.

Также обратите внимание, что трансформаторы, используемые в высокоскоростных импульсных источниках питания, имеют относительно мало витков; 10 генри на частоте 50 Гц имеют импеданс 3142 Ом, а 1 мГн на частоте 500 кГц имеет точно такой же импеданс. Для сердечника, который естественным образом производит 10 мкГн за один виток, для намотки 1 мГн требуется десять витков (помните, что в формуле для индуктивности квадрат витков). Для того же сердечника на 50 Гц (нецелесообразно конечно) 10 генри требуется 1000 витков.

Комментарии не для расширенного обсуждения; этот разговор был перемещен в чат .
@DaveTweed Я не согласен с таким ранним удалением комментариев, которые указывают на серьезный технический недостаток ответа.
И я не согласен с @MassimoOrtolano, когда он утверждает, что насыщение ядра не вызвано током. Bio Savart сообщает, что магнитный поток прямо пропорционален току. И совершенно неважно, трансформатор это или рамочная антенна. Я слышал аргументы и согласен с тем, что вы можете использовать вольт-секунды, но почему Массимо отрицает связь между током и потоком. Вот это я называю технической ошибкой. Почему Массимо не уделяет такого же длительного внимания другим ответам, которые говорят то же самое?
@MassimoOrtolano: комментарии не удалены, они просто перемещены в чат. Пройдите по ссылке, указанной выше. И, пожалуйста, продолжайте дискуссию там. Если сделаете какие-то выводы, пишите сюда.

Если у вас есть железный сердечник для трансформатора, одна из его характеристик — «сколько витков должна иметь одна обмотка на один вольт при заданной частоте». Нельзя обойти эту спецификацию и получить меньше ходов без следующих последствий.

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

Поперечный ток можно уменьшить, увеличив индуктивность первичной обмотки.

Спецификация витки/вольт является следствием следующего списка фактов, которые имеют тенденцию уменьшать индуктивность катушки:

  • железный материал имеет ограниченную магнитную проницаемость
  • железное ядро ​​не может быть сделано из цельного 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 железа. Насыщение радикально снижает магнитную проницаемость

Как можно бороться с этим, добавляя больше ходов? Это потому, что индуктивность растет пропорционально квадрату числа витков. Можно дуги: Но намагниченность (= витки x ток) тоже растет! Верно, но он растет только линейно, поэтому достаточно витков, тогда, наконец, индуктивность достаточно высока, чтобы перебороть 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 через магнитный поток с одной стороны на другую.

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

Индуктивность определяет способность создавать магнитный поток ( Φ ) от тока и пропорциональна:

л знак равно г Φ г я  и  г Φ знак равно л * г я

Индуктивность катушки индуктивности определяется количеством витков (кроме площади или размера):

Н знак равно µ Н ² А л  (упрощенное, уменьшенное соотношение площади намотки и длины) 

См. Википедию по индуктивности .

Обычно желателен небольшой трансформатор, поэтому больше витков лучше, чем больший размер (проще говоря).

Индуктивность должна соответствовать частоте сети. В противном случае первичная обмотка либо позволила бы протекать достаточному электрическому и, следовательно, магнитному току (для более высоких частот), либо больше походила бы на короткое замыкание (для более низких частот). И то и другое нежелательно.

Более низкие частоты требуют более высокой индуктивности (= больше витков или сердечников большего размера). По этой причине в импульсных источниках питания, использующих более высокие частоты в диапазоне сотен 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 данный сердечник способен передавать большую мощность без достижения насыщения , а для достижения того же импеданса требуется меньше витков .

(Выделение мое.)

См. Википедию о влиянии частоты на трансформаторы .

Так,

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

Вывод: вам нужно сделать трансформатор физически больше, чтобы уменьшить количество обмоток. При уменьшении количества обмоток вы снижаете КПД и увеличиваете потери. А это обычно нежелательно.

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

Нельзя допускать, чтобы магнитное поле в сердечнике превышало определенное значение насыщения, иначе проницаемость железа падает, и трансформатор должен потреблять на порядки больше тока для поддержания намагниченности. Таким образом, это строго ограничивает количество вольт на виток, которое может поддерживаться, и, таким образом, дает вам минимальное количество витков для любой обмотки.

Для типичного небольшого (50 ВА, вроде?) тороидального сердечника, который у меня есть, сечение сердечника составляет 25 мм на 13 мм. Если я запустил сердечник с пиковым потоком ±1,8 Тл при частоте 50 Гц, он будет генерировать пик около 170 мВ на оборот. Таким образом, для обмотки 12 В среднеквадратичного значения потребуется 100 витков, для сетевой обмотки 240 В потребуется 2000 витков. Я мог бы использовать больше витков, чем это, но меньшее количество витков привело бы к насыщению сердечника.

Если бы я использовал сердечник с площадью поперечного сечения железнодорожной шпалы, 130 мм x 250 мм, я мог бы получить 12 В среднеквадратичного значения за один виток, но это также довольно громоздкий трансформатор.

Может быть полезно отметить, что «железнодорожный шпал», который люди в США назвали бы «галстуком»; когда я впервые увидел этот термин, прежде чем я прочитал размеры, я подумал, что автор имеет в виду карету типа Пуллмана.
Не могли бы вы предоставить какую-то числовую ссылку, откуда вы берете эти цифры? Я немного поискал в Интернете, помимо базовой формулы N1 / N2 и некоторых формул «магических чисел». размер трансформатора. Я был бы признателен, если бы у вас также был просто справочный документ с этой информацией - со всей этой (неправильной) информацией, распространяющейся вокруг, я боюсь, что мне может понадобиться прочитать учебник, чтобы разработать простой трансформатор.
@inkyvoyd 25 мм x 13 мм измеряется штангенциркулем от моего сердечника, 1,8 Тл для пикового потока взято из технических паспортов трансформаторного железа. Преобразование между потоком, площадью, частотой и напряжением происходит из закона Фарадея. Вы можете увидеть рабочий пример этого в действии в другом из моих ответов здесь

Ваша основная посылка ложна, поэтому на вопрос нельзя ответить.

Трансформаторы бывают разных видов напряжения и тока для входов и выходов. Некоторые используют много витков тонкого провода (высокое напряжение, малый ток). Некоторые используют несколько витков толстого провода (низкое напряжение, большой ток).

Итак, ответ на вопрос «Почему они не...» — это «Они делают» (когда это уместно).

Тем, кому не нравится этот ответ

Я вижу, что этот ответ получил несколько отрицательных голосов и примерно такое же количество голосов. Очевидно, что это спорно. Некоторые считают его некачественным, особенно после того, как другие размышляли об истинном значении ОП в комментариях.

Несмотря на то, что другие думают , что имел в виду ОП, он начал с откровенно ложной предпосылки, а именно, что трансформаторы имеют сотни витков как на первичных, так и на вторичных обмотках, и что всегда используется «тонкий» медный провод. Тогда это звучит как один из риторических вопросов «Почему все не делают это другим очевидным способом» .

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

Гораздо лучше было бы задать вопрос о компромиссе между меньшим количеством витков толстой проволоки и большим количеством витков тонкой проволоки. Тот, кто спросил уважительно, не вынося предварительного суждения или не предполагая ложных предпосылок, получил бы совсем другой ответ. Однако, опять же, это то, что на самом деле спросили, и даже не то, что, кажется, имел в виду ОП.

Даже если ОП вернется и изменит вопрос, я оставлю этот ответ в качестве напоминания о том, чтобы задавать вопросы правильно и недвусмысленно, а не начинать с утверждения неверных предположений как фактов.

Не помечайте ответы как некачественные, если только они не являются спамом или не являются ответом. Если вам это не нравится, то понизьте его.
@laptop2d: Кому это адресовано?
@laptop2d нет, для этого и нужен флаг «не ответ». это воплощение низкого качества.
@laptop2d также система автоматически помещает в эту очередь ответы, за которые проголосовали сильно отрицательно. Вам действительно нужно перечитать руководство по низкому качеству, прежде чем делать подобные заявления.
@Passe и другие. Смотрите дополнение к ответу. Это отвечает на то, что было задано . Мы можем не согласиться с интерпретацией этого двусмысленного вопроса, но это правильный ответ на одну интерпретацию, которую нельзя сбрасывать со счетов.
Почему трансформаторы используют так много витков?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 3v