¿Por qué los transformadores usan tantas vueltas?

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Los transformadores tienen cientos de vueltas en el devanado secundario y primario, y como resultado usan cables de cobre muy delgados para cada uno. Pero, ¿por qué no solo usan menos vueltas en cada devanado y obtienen la misma relación de voltaje?

Más importante aún, ¿por qué no usar menos vueltas de un cable más grueso para un VA mayor? (en lugar de 1000: 100 vueltas de cable de 22 awg, ¿por qué no 100: 10 vueltas de cable de 16 awg si esto aumentaría el VA)

transformer

— usuario3503966
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Básicamente se pregunta: "¿Por qué un diseñador de transformadores que necesita un transformador que toma una entrada de 120 VCA y emite 12.6 VCA y, por lo tanto, necesita una relación de vueltas de 10: 1, usa 1000 vueltas en el primario y 100 vueltas en el secundario en lugar de 600 enciende el primario y 60 enciende el secundario? ¿Qué factor hace esa elección? " ¿Esa es tu pregunta?

— jonk

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"Los transformadores tienen cientos de vueltas en el devanado secundario y primario" . No, no lo hacen, al menos no siempre. Un gran ejemplo es una pistola de soldar. Aquellos generalmente tienen un secundario de un solo turno.

— Olin Lathrop

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Los transformadores a menudo terminan usando el 10% de la corriente de potencia nominal solo para la magnetización del núcleo para mejorar el factor de acoplamiento más cercano a 1. Por lo tanto, incluso una pistola de soldar tiene mil vueltas en el primario para lograr esta corriente de 100 mA más o menos V / (2pifL) y luego usar > 1 A a 120V para 125W. El número de vueltas dicta el valor de L primario, no el diámetro del cable. El giro secundario secundario permite la alta relación de refuerzo de corriente. Entonces, cuanto más pequeño es el transformador, más vueltas se necesitan para aumentar la impedancia sin carga y reducir la corriente sin carga a <= 10%

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

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Si ayuda a entender esto de manera más intuitiva, menos vueltas hacen un imán horrible. Además, NO giros lo convierte funcionalmente en un cortocircuito muerto, lo cual es súper útil para un transformador de detección de corriente, pero tonto y peligroso para un transformador potencial, ya que los cortos muertos a través de cantidades significativas de voltaje tienden a explotar.

— Sean Boddy

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Lea la pregunta como: ¿por qué los transformadores usan tantos giros para transformar ...

— Zx8754

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Cuando aplica voltaje al devanado primario de un transformador de potencia, fluirá algo de corriente, incluso cuando el secundario esté en circuito abierto. La cantidad de esta corriente está determinada por la inductancia de la bobina primaria. El primario debe tener una inductancia lo suficientemente alta como para mantener esa corriente razonable. Para transformadores de potencia de 50 o 60 Hz, esta inductancia es bastante alta, y normalmente no se puede llegar con un pequeño número de vueltas en el devanado.

— mkeith
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Corrija, y también mencione la permeabilidad del núcleo del mundo real y las dimensiones del núcleo. Por ejemplo, si la mu de hierro es 1000 veces más alta, entonces las primarias de 1 vuelta funcionarían bien. O bien, enrolle nuestras primarias de 1 vuelta en núcleos de hierro de varias toneladas de un metro de ancho. (Je, o zanja el 60Hz y utilizar una red de energía 30KHz, como se hace en la industria aeroespacial.)

— wbeaty

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@wbeaty No, la permeabilidad no afecta la saturación. Si desea un primario de 1 vuelta en ese tamaño de núcleo, necesitaría hierro saturado a 2000T en lugar de 2T. ¡Los núcleos de todo el metro funcionarían!

— Neil_UK

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@mkeith Si bien la inductancia mantiene baja la corriente, la inductancia depende de la permeabilidad del núcleo, que colapsará si el flujo del núcleo se eleva por encima de la saturación. Debemos diseñar suficientes giros para mantener el campo central lo suficientemente bajo. Si pudiéramos duplicar la permeabilidad del hierro, mientras que eso reduciría a la mitad la corriente de magnetización consumida, no reduciría a la mitad el número de vueltas que podríamos usar.

— Neil_UK

Tenga en cuenta que la frecuencia es importante: un transformador con clasificación VA similar que funcione en una aeronave a 440Hz será mucho más pequeño y requerirá menos giros (y, por lo tanto, menos cobre, menos peso, etc.).

— Adam Davis

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Si solo tuviera 1 vuelta en un núcleo de hierro, podría tener una inductancia de (digamos) 1 uH. Cuando aplica dos vueltas, la inductancia no se duplica, se cuadruplica. Entonces dos vueltas significa 4 uH. "¿Y qué?" ¡podrías decir!

Bueno, para un voltaje de CA dado aplicado, la corriente tomada por ese devanado de dos vueltas es un cuarto de la corriente para un devanado de una sola vuelta. Tome nota porque esto es fundamental para comprender la saturación del núcleo.

¿Qué causa la saturación del núcleo (algo que se debe evitar en gran medida)? La respuesta es la actual y el número de turnos. Se llama fuerza motriz magneto y tiene dimensiones de amperios.

Entonces, con dos vueltas y una cuarta parte de la corriente, las vueltas de amperios (fuerza magneto-motriz) es la mitad de un devanado de una sola vuelta. Entonces, inmediatamente podemos observar que si dos vueltas llevaran el núcleo al "borde" de saturación, una bobina de una sola vuelta se saturaría significativamente y sería un gran problema.

Esta es la razón fundamental por la cual los transformadores usan muchas vueltas primarias. Si cierto transformador tiene 800 vueltas y está en el punto de saturación, la reducción significativa de las vueltas saturará el núcleo.

¿Qué sucede cuando el núcleo se satura? La inductancia comienza a caer y se toma más corriente y esto satura el núcleo más y bien, deberías ver a dónde va esto.

Tenga en cuenta que esta respuesta no ha considerado otra cosa que el devanado primario; en efecto, solo estamos hablando de la inductancia de magnetización primaria: es esto y solo esto lo que puede saturar el núcleo. Las corrientes de carga secundarias no tienen un papel que jugar en la saturación del núcleo.

También tenga en cuenta que los transformadores utilizados en las fuentes de alimentación de conmutación de alta velocidad tienen relativamente pocas vueltas; 10 Henry a 50 Hz tiene una impedancia de 3142 ohmios y 1 mH a 500 kHz tiene exactamente la misma impedancia. Para un núcleo que produce naturalmente 10 uH para una sola vuelta, para enrollar 1 mH se requieren diez vueltas (recuerde que son vueltas al cuadrado en la fórmula para inductancia). Para el mismo núcleo a 50 Hz (poco práctico, por supuesto), 10 Henry requiere 1000 vueltas.

— Andy alias
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Los comentarios no son para discusión extendida; Esta conversación se ha movido al chat .

— Dave Tweed

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@DaveTweed No estoy de acuerdo con una eliminación tan temprana de los comentarios que señalan una falla técnica grave de una respuesta.

— Massimo Ortolano

Y no estoy de acuerdo con @MassimoOrtolano cuando afirma que la saturación del núcleo no es causada por la corriente. Bio Savart informa que el flujo magnético es directamente proporcional a la corriente. Y no importa en absoluto si la cosa es un transformador o una antena de bucle. He escuchado los argumentos y acepto que puedes usar voltios segundos, pero ¿por qué Massimo niega el vínculo entre la corriente y el flujo? Ahora eso es lo que yo llamo una falla técnica. ¿Por qué Massimo no está dando el mismo tratamiento prolongado a otras respuestas que dicen lo mismo?

— Andy también conocido como

@MassimoOrtolano: los comentarios no se han eliminado, simplemente se han trasladado a una sala de chat. Siga el enlace provisto arriba. Y por favor continúe la discusión allí. Si llega a alguna conclusión, publíquela aquí.

— Dave Tweed

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Si tiene un núcleo de hierro para un transformador, una de sus especificaciones es "cuántas vueltas debe tener un devanado por un voltio cuando se da la frecuencia". Uno no puede pasar por alto esta especificación y tener menos turnos sin tener las siguientes consecuencias

eficiencia reducida
más corriente transversal no deseada que solo causa pérdidas, pero no hace nada útil para el proceso de transformación de voltaje

La corriente transversal puede reducirse aumentando la inductancia del devanado primario.

La especificación de vueltas / voltios es una consecuencia de la siguiente lista de hechos que tienden a reducir las inductancias de la bobina:

el material de hierro tiene una permeabilidad magnética limitada
El núcleo de hierro no puede estar hecho de hierro completo. Está dividido en delgadas capas aisladas para mantener las corrientes de Foucault lo suficientemente pequeñas en el núcleo. El aislamiento toma su espacio y está fuera de la plancha.
El flujo magnético de un devanado evita parcialmente el hierro y los otros devanados.
demasiada corriente transversal causa saturación magnética en el hierro. La saturación reduce radicalmente la permeabilidad magnética.

¿Cómo se puede luchar contra estos agregando más turnos? Es porque la inductancia crece a medida que el cuadrado del número de vueltas. Uno puede arquear: ¡Pero la magnetización (= vueltas x corriente) también crece! Es cierto, pero crece solo linealmente, por lo que gira lo suficiente y, finalmente, la inductancia es lo suficientemente alta como para superar los inconvenientes.

Exactamente, no todos los inconvenientes. El espacio es limitado. Por lo tanto, más vueltas significa que el cable debe ser más delgado. Esto aumenta la resistencia y las pérdidas resistivas (= calentamiento).

— usuario287001
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Los transformadores funcionan mediante la transferencia de energía a través de flujo magnético de un lado a otro.

Ambos lados están formados por inductores, el inductor primario crea un campo magnético, que se induce en el inductor secundario.

$\Phi$

L = \frac{d Φ}{d i} and d Φ = L * d i

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

La inductancia de un inductor está determinada por el número de vueltas (al lado del área o tamaño):

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

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

Ver Wikipedia sobre inductancia

Por lo general, es deseable un transformador pequeño, por lo que más vueltas es mejor que un tamaño mayor (simplemente)

La inductancia tiene que coincidir con la frecuencia de la red. De lo contrario, el devanado primario ahora permitiría que fluye suficiente corriente eléctrica y, por lo tanto, magnética (para frecuencias más altas) o es más como un cortocircuito (para frecuencias más bajas). Ambos no son deseables.

Las frecuencias más bajas requieren una inductancia más alta (= más vueltas o núcleos más grandes). Esta es la razón por la cual las fuentes de alimentación conmutadas, que utilizan frecuencias más altas en los cientos de kHz - rango de MHz, utilizan transformadores tan pequeños mientras pueden transferir mucha más potencia en comparación con los transformadores convencionales.

Una cita del artículo de Wikipedia sobre transformadores :

La EMF de un transformador a una densidad de flujo dada aumenta con la frecuencia. ^[16] Al operar a frecuencias más altas, los transformadores pueden ser físicamente más compactos porque un núcleo dado puede transferir más potencia sin alcanzar la saturación y se necesitan menos vueltas para lograr la misma impedancia .

(El énfasis es mío).

Ver Wikipedia sobre Efecto de frecuencia en transformadores

Entonces,

La potencia que necesita transferir el transformador está determinada por la corriente que fluye a través de sus bobinas.
la corriente que debe conducir el cable determina el grosor del cable (que juega con el tamaño)
El tamaño de la bobina y el número de vueltas determinan la inductancia.
la inductancia a cierta frecuencia determina la capacidad de transferir energía

Conclusión: necesitaría hacer que el transformador sea físicamente más grande para reducir la cantidad de devanados. Al reducir la cantidad de bobinados, disminuye la eficiencia y aumenta las pérdidas. Y esto generalmente no es deseable.

— try-catch-finally
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El campo magnético pico en el núcleo está relacionado con el voltaje pico aplicado por vuelta. Cuanto mayor sea el área del núcleo, más voltios por turno se pueden generar.

No se puede permitir que el campo magnético en el núcleo exceda un cierto valor de saturación, si lo hace, entonces la permeabilidad de las gotas de hierro, y el transformador tiene que extraer órdenes de magnitud más corriente para mantener la magnetización. Por lo tanto, esto limita estrictamente la cantidad de voltios por vuelta que se puede soportar, y le da un número mínimo de vueltas para cualquier devanado.

Para un típico núcleo toroidal pequeño (50 VA, ¿ish?) Que tengo a mano, la sección transversal del núcleo es de 25 mm por 13 mm. Si ejecuto el núcleo con el pico de flujo a ± 1.8 T a 50 Hz, generará aproximadamente 170 mV de pico por turno. Por lo tanto, un devanado de 12 Vrms necesitaría 100 vueltas, el devanado de la red de 240 V necesitaría 2000. Podría usar más vueltas que esto, pero menos vueltas empujarían el núcleo a la saturación.

Si usara un núcleo con el área de la sección transversal de un durmiente de ferrocarril, 130 mm x 250 mm, podría obtener 12 Vrms en una sola vuelta, pero también un transformador bastante difícil de manejar.

— Neil_UK
fuente

Puede ser útil tener en cuenta que un "durmiente ferroviario" a lo que la gente en los Estados Unidos se referiría como un "empate"; Cuando vi el término por primera vez, antes de leer las dimensiones, pensé que el autor se refería a un carruaje estilo Pullman.

— supercat

¿Podría proporcionarnos algún tipo de referencia numérica de dónde obtiene estas cifras? He buscado en Internet un poco más allá de la fórmula básica N1 / N2 y algunas fórmulas de "números mágicos". Tengo problemas para encontrar una respuesta coherente que describa por qué a uno le importa la cantidad de giros, frecuencia y núcleo. Tamaño de un transformador. Le agradecería que también tuviera un documento de referencia con esta información; con toda esta (mala) información difundida, me temo que podría necesitar leer un libro de texto para diseñar un transformador simple.

— hedgepig

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@inkyvoyd 25 mm x 13 mm se mide desde mi núcleo con pinzas, 1.8T para flujo máximo proviene de hojas de datos para transformador de hierro. La transformación entre flujo, área, frecuencia y voltaje proviene de la Ley de Faraday. Puede ver un ejemplo trabajado de esto en acción en otra de mis respuestas aquí

— Neil_UK

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Su premisa básica es falsa, por lo que la pregunta realmente no se puede responder.

Los transformadores vienen en muchas variedades de voltaje y corriente para sus entradas y salidas. Algunos usan muchas vueltas de cable delgado (alto voltaje, baja corriente). Algunos usan pocas vueltas de cable grueso (bajo voltaje, alta corriente).

Entonces, la respuesta a "¿Por qué no ...?" Es "Lo hacen" (cuando sea apropiado).

Para aquellos que no les gusta esta respuesta

Veo que esta respuesta ha recibido una cantidad de votos negativos, y aproximadamente el mismo número de votos positivos. Obviamente es controvertido. Algunos lo ven como de baja calidad, especialmente después de que otros hayan especulado sobre el verdadero significado del OP en los comentarios.

A pesar de lo que otros piensan que significaba el OP, comenzó con una premisa descaradamente falsa, que es que los transformadores tienen cientos de vueltas en sus primarias y secundarias y que siempre se usa cable de cobre "delgado". Entonces suena como una de esas preguntas retóricas "¿Por qué no todos lo hacen de esta otra manera obvia?" .

Esto es lo que respondí. Es la respuesta correcta a la pregunta como se interpretó anteriormente. Quizás eso no sea lo que el OP quiso preguntar. Tal vez lo es. Tenga en cuenta que el OP no ha regresado para proporcionar ninguna aclaración o editar la pregunta.

Una pregunta mucho mejor habría sido sobre las compensaciones de menos vueltas de alambre grueso versus más vueltas de alambre delgado. Preguntar respetuosamente sin emitir un juicio previo o suponer falsas premisas habría obtenido una respuesta muy diferente. Sin embargo, de nuevo, eso es lo que realmente se preguntó, y ni siquiera lo que parece que significaba el OP.

Incluso si el OP regresa y cambia la pregunta, dejaré que esta respuesta sea un recordatorio para hacer preguntas de manera adecuada y sin ambigüedades, y no comenzar declarando suposiciones incorrectas como hechos.

— Olin Lathrop
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No marque las respuestas como de baja calidad a menos que sean spam o no sean una respuesta. Si no te gusta, entonces vótalo abajo.

— Pico de voltaje

@ laptop2d: ¿A quién se dirige eso?

— Dave Tweed

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@ laptop2d no, para eso está la bandera "no es una respuesta". Este es el epítome de la baja calidad.

— Passerby

@ laptop2d también, el sistema coloca automáticamente en la cola respuestas altamente rechazadas. Realmente necesita volver a leer la guía sobre Baja calidad antes de hacer declaraciones como esa.

— Passerby

@Passe y otros. Ver además de responder. Esto responde a lo que se le preguntó . Podríamos estar en desacuerdo al interpretar esta pregunta ambigua, pero esta es una respuesta válida a una interpretación que no se puede descartar.

— Olin Lathrop