Um transformador pode funcionar se o núcleo não for circular?

Estou tentando construir um transformador para converter 12V AC em 5V AC. Aqui está o que eu tenho agora:

Ainda não ajustei a taxa de bobina, mas tentei apenas ver se havia alguma saída e, de fato, não há. Eu testei o núcleo e ele é ferromagnético, então minhas suposições são: ele não pode funcionar porque o centro do núcleo está vazio (é um cano) ou porque os solenóides não podem ser alinhados e o núcleo precisa ser circular.

Eu apreciaria muito se alguém pudesse me explicar o que há de errado com esse design e por que ele não funciona (ou por que deveria).

O núcleo não precisa ser circular, mas deve ser fechado, caso contrário, o fluxo vinculado será muito baixo.

Além disso, o fato de o tubo estar vazio não melhora a situação, pois o fluxo é concentrado onde há maior permeabilidade, ou seja, no núcleo, mas a seção líquida do núcleo no seu caso é pequena. De fato, a maior parte da seção da bobina é preenchida com ar, que tem pouca permeabilidade.

Você não pode fechar o núcleo com um simples pedaço de fio de ferro. Não será eficaz, uma vez que o fluxo será restringido na seção menor do fio. Lembre-se de que o fluxo obedece a uma espécie de "lei de Ohm para circuitos magnéticos", chamada lei de Hopkinson .

O papel da resistência é assumido por uma quantidade conhecida como relutância , que é proporcional à seção líquida do núcleo onde o fluxo flui. O fluxo é análogo à corrente. Portanto, uma pequena seção limitará bastante o fluxo. Como o papel da tensão é assumido pela força magnetomotiva (MMF) que depende da corrente na bobina, você pode entender que, com a mesma corrente no primário e uma alta relutância devido a um fluxo restringido em uma pequena seção do fio , o fluxo será pequeno e, portanto, a corrente induzida no secundário será pequena.

Se você tentar bombear mais corrente no primário, o resultado será que o núcleo ficará saturado (um efeito fortemente não linear), com a conseqüência de que sua permeabilidade cairá drasticamente, anulando sua tentativa.

Para ter acoplamento suficiente entre as duas bobinas, é necessário um circuito magnético fechado com relutância substancialmente baixa. Portanto, você precisa de um caminho fechado feito de material ferromagnético com uma seção mais ou menos constante, pois qualquer estreitamento na seção aumentará a relutância.

EDIT (solicitado por um comentário útil de @Asmyldof)

Embora eu expliquei acima por que sua configuração não é eficiente para um transformador de potência e a explicação ainda permanece, há alguns problemas a serem observados ao lidar com a operação do transformador. Este artigo interessante sobre transformadores tem boas fotos e mergulha no assunto com mais detalhes. Vou apontar brevemente dois aspectos principais abaixo.

Como eu disse, para ter um alto acoplamento entre os enrolamentos primário e secundário, você precisa de baixa relutância e um núcleo fechado. Isso exige um núcleo sólido com um caminho magnético fechado. Em relação à sua configuração, isso melhorará a situação, mas lembre-se de que o uso de um núcleo ferromagnético que também é eletricamente condutor, como o ferro, tem suas desvantagens.

Primeiro (e realmente importante para um transformador de potência), existem as principais perdas de potência. Se o núcleo for feito de um bom material condutor, correntes induzidas serão induzidas em sua seção transversal e isso causará perda de energia pelo aquecimento de Joule (como em um resistor). Esta não é a única fonte de perdas de núcleo, mas para núcleos condutores é a mais relevante normalmente. Portanto, ao usar uma barra de ferro sólida como núcleo do transformador, você corre o risco de perder muita energia aquecendo o próprio núcleo (é por isso que os núcleos feitos de ferro não são sólidos, ainda são "cheios", mas laminados, ou seja, fabricados por muitas camadas de material isolado).

O segundo aspecto principal é a saturação . Se você aumentar a corrente primária acima de um certo limite, o núcleo irá saturar e a permeabilidade diminuirá, portanto a relutância aumentará. Ter um núcleo não completamente fechado é, nesse caso, benéfico. De fato, às vezes os núcleos são construídos com um pequeno espaço de ar, ou seja, o núcleo forma um loop quase fechado, mas não exatamente. O pequeno espaço aéreo tem uma relutância muito maior que o resto do núcleo, portanto, aumenta a relutância geral do núcleo + espaço, o que parece ruim, mas a vantagem é que o espaço ajuda a linearizar o núcleo, ou seja, limita o efeito da saturação. Além disso, a folga é muito pequena (digamos sobre a espessura de uma folha de papel) e isso evita que o fluxo se disperse no espaço ao redor do núcleo, portanto, não piora muito o acoplamento geral.

Outros links interessantes sobre transformadores:

• Transformers Basics

• Construção de transformadores

Ele "funcionará" em certo sentido, assim como qualquer outro transformador, mas como o circuito de fluxo é fechado apenas por vazamento de campo magnético de uma extremidade do núcleo para a outra, sua relutância será enorme e, portanto, será muito grande. menos eficiente do que você gostaria. Isso normalmente é modelado como uma "indutância de vazamento".

Meça a indutância primária com o circuito aberto secundário. Isso é chamado de indutância primária. Volte a medir com o curto-circuito secundário e você verá que a indutância primária diminui um pouco, pois você colocou a "indutância de vazamento" em paralelo. O cálculo da indutância de vazamento permitirá calcular a perda do seu transformador.

Em um bom transformador, a indutância de vazamento é de 1% ou menos da indutância primária: no seu, é provavelmente 10x da indutância primária ou mais.

Na verdade, se você olhar para a antena de ferrite em um rádio AM, verá vários enrolamentos; atua como antena, circuito sintonizado e transformador. O menor enrolamento transfere uma pequena proporção da energia do circuito sintonizado para o amplificador e misturador de RF.

Mas não é um transformador eficaz para conversão de energia.

Você pode aprimorá-lo dobrando a haste em um "U" ou melhor, arredondando-a para um anel com uma folga, então o fluxo simplesmente precisa pular a folga, diminuindo a relutância. À medida que você reduz a largura da folga, a relutância diminui, assim como a indutância de vazamento, aumentando a eficiência do transformador.

O melhor de tudo é fechar completamente a lacuna

No entanto, algumas vezes é deixado um pequeno espaço (definido pela espessura de um pedaço de papel!) Deliberadamente, para manter a densidade do fluxo baixa e evitar a saturação do núcleo. Isso geralmente é feito em transformadores de sinal, onde a distorção da saturação é um problema, não nos transformadores de conversão de energia.

Não, o material magnético não precisa formar um circuito fechado, mas isso permitirá que você faça um transformador menor para a mesma quantidade de energia. As linhas do campo magnético sempre estarão em um loop, a única questão é se você fornece material agradável para elas seguirem facilmente ou não.

No entanto, o problema no seu caso é que você está usando um núcleo condutor. O tubo de metal atua como um secundário de curto-circuito, dando pouca chance ao seu enrolamento secundário de captar muito de qualquer coisa. Você construiu um aquecedor por indução, não um transformador.

Além disso, você está colocando o AC no primário, certo? Os transformadores funcionam apenas em corrente alternada. É a mudança do campo magnético que induz uma tensão através do secundário.

Conforme indicado em outras respostas, sim, ele deve funcionar, apenas com baixa transferência de energia (enquanto você estiver usando CA).

De fato, o que você tem é bem próximo de um transdutor de posição LVDT com uma única bobina secundária.

Se você prender uma barra de aço na parte interna do tubo, poderá variar o acoplamento e obter um sinal de saída variável. Esse efeito pode ser melhorado usando um tubo de plástico fino e uma barra de ferro que ocupa o máximo de espaço central possível. Observar isso não o tornará necessariamente um transformador melhor para seus propósitos, mas é um aparte interessante.

Na imagem, parece que você colocou as bobinas "próximas" uma da outra. Essa configuração fornece a menor quantidade de corte de fluxo no enrolamento secundário. Para melhorar o acoplamento, você precisa enrolar o secundário em cima do primário. A "eficiência" do acoplamento dependerá do que você usar como núcleo (ar, tubo oco, tubo sólido, etc.), mas a ação do transformador deve funcionar! Se você usar 200 voltas no primário e 100 no secundário, a saída deverá ser 1/2 da tensão de entrada. O tamanho dos fios determinará a capacidade de corrente dos enrolamentos, mas não a tensão.