Os transformadores têm centenas de voltas no enrolamento secundário e primário e, como resultado, usam fios de cobre muito finos para cada um. Mas, por que eles não usam apenas menos voltas em cada enrolamento e obtêm a mesma taxa de tensão?
Mais importante, por que não usar menos voltas de um fio mais grosso para aumentar o VA? (em vez de 1000: 100 voltas de fio de 22 awg, por que não 100: 10 voltas de fio de 16 awg, se isso aumentaria o VA)
transformer
user3503966
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Respostas:
Quando você aplica tensão ao enrolamento primário de um transformador de energia, alguma corrente flui, mesmo quando o secundário é um circuito aberto. A quantidade dessa corrente é determinada pela indutância da bobina primária. O primário deve ter uma indutância alta o suficiente para manter essa corrente razoável. Para transformadores de potência de 50 ou 60 Hz, essa indutância é bastante alta e você normalmente não pode chegar lá com um pequeno número de voltas no enrolamento.
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Se você tivesse apenas 1 turno em um núcleo de ferro, ele poderia ter uma indutância de (digamos) 1 uH. Quando você aplica duas voltas, a indutância não duplica, ela quadruplica. Então, dois turnos significam 4 uH. "E daí?" você pode dizer!
Bem, para uma dada tensão CA aplicada, a corrente absorvida pelo enrolamento de duas voltas é um quarto da corrente para um enrolamento de uma volta. Tome nota, porque isso é fundamental para entender a saturação do núcleo.
O que causa a saturação do núcleo (algo que deve ser amplamente evitado)? A resposta é a atual e o número de voltas. Chama-se força motriz magneto e tem dimensões de voltas ampères.
Assim, com duas voltas e um quarto da corrente, as voltas ampères (força motriz magneto) são metade da de uma única volta. Portanto, imediatamente podemos observar que, se duas voltas levassem o núcleo até a "borda" da saturação, uma única bobina de volta saturaria significativamente e seria um grande problema.
Esta é a razão fundamental pela qual os transformadores usam muitas voltas primárias. Se um determinado transformador tiver 800 voltas e estiver no ponto de saturação, a redução significativa das voltas saturará o núcleo.
O que acontece quando o núcleo satura você pode perguntar. A indutância começa a cair e mais corrente é absorvida e isso satura o núcleo cada vez mais, você deve ver para onde isso está indo.
Observe que esta resposta não considerou outra coisa senão o enrolamento primário; na verdade, estamos apenas falando sobre a indutância primária da magnetização - é isso e somente isso que pode saturar o núcleo. As correntes de carga secundária não têm nenhum papel a desempenhar na saturação do núcleo.
Observe também que os transformadores usados nas fontes de alimentação de comutação de alta velocidade têm relativamente poucas voltas; 10 henry a 50 Hz tem uma impedância de 3142 ohms e 1 mH a 500 kHz tem exatamente a mesma impedância. Para um núcleo que produz naturalmente 10 uH por um único turno, o vento de 1 mH requer dez turnos (lembre-se de que os turnos são ao quadrado na fórmula da indutância). Para o mesmo núcleo a 50 Hz (impraticável, é claro), 10 henry requer 1000 turnos.
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Se você possui um núcleo de ferro para um transformador, uma de suas especificações é "quantas voltas um enrolamento deve ter por um volt quando a frequência é fornecida". Não se pode ignorar esta especificação e ter menos voltas sem ter as seguintes consequências
A corrente transversal pode ser reduzida, aumentando a indutância do enrolamento primário.
A especificação de voltas / volt é uma consequência da seguinte lista de fatos, todos com tendência a diminuir as indutâncias da bobina:
Como alguém pode lutar contra isso adicionando mais turnos? É porque a indutância cresce como o quadrado do número de voltas. Pode-se arquear: Mas a magnetização (= gira x corrente) também cresce! É verdade, mas cresce apenas linearmente, com curvas suficientes, e finalmente a indutância é alta o suficiente para superar as desvantagens.
Exatamente, nem todas as desvantagens. O espaço é limitado. Assim, mais voltas significa que o fio deve ser mais fino. Isso aumenta a resistência e as perdas resistivas (= aquecimento).
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Os transformadores trabalham transferindo energia via fluxo magnético de um lado para o outro.
Ambos os lados são compostos por indutores, o indutor primário cria um campo magnético, que é induzido no indutor secundário.
A indutância determina a capacidade de criar fluxo magnético ( ) a partir de uma corrente e é proporcional:Φ
A indutância de um indutor é determinada pelo número de voltas (ao lado da área ou tamanho):
Veja a Wikipedia sobre indutância
Um pequeno transformador é geralmente desejável, então mais voltas são melhores que um tamanho maior (basta colocar).
A indutância deve corresponder à frequência da rede. Caso contrário, o enrolamento primário agora permitiria o fluxo de corrente elétrica e magnética suficiente (para frequências mais altas) ou é mais como um curto-circuito (para frequências mais baixas). Ambos não são desejáveis.
Freqüências mais baixas exigem indutância mais alta (= mais voltas ou núcleos maiores). Esta é a razão pela qual a comutação de fontes de alimentação, utilizando frequências mais altas nos hundrets da faixa de kHz - MHz, usa transformadores tão pequenos, ao mesmo tempo em que pode transferir muito mais energia em comparação aos transformadores convencionais.
Uma citação do artigo da Wikipedia sobre transformadores :
(Ênfase minha.)
Consulte a Wikipedia sobre Efeito da frequência em transformadores
Assim,
Conclusão: você precisará aumentar fisicamente o transformador para reduzir o número de enrolamentos. Ao reduzir o número de enrolamentos, você reduz a eficiência e aumenta as perdas. E isso geralmente não é desejável.
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O pico do campo magnético no núcleo está relacionado ao pico de tensão aplicada por turno. Quanto maior a área do núcleo, mais volts por turno podem ser gerados.
Não se pode permitir que o campo magnético no núcleo exceda um certo valor de saturação; se isso ocorrer, a permeabilidade do ferro cairá e o transformador precisará desenhar ordens de magnitude mais atuais para manter a magnetização. Portanto, isso limita estritamente quantos volts por turno podem ser suportados e, portanto, fornece um número mínimo de voltas para qualquer enrolamento.
Para um núcleo toroidal pequeno (50 VA, ish?) Típico que tenho em mãos, a seção transversal do núcleo é de 25 mm por 13 mm. Se eu executar o núcleo com o pico atingindo ± 1,8 T a 50 Hz, ele gerará um pico de cerca de 170 mV por turno. Portanto, um enrolamento de 12 Vrms precisaria de 100 voltas, o de 240 V precisará de 2000. Eu poderia usar mais voltas do que isso, mas menos voltas levariam o núcleo à saturação.
Se eu usasse um núcleo com a área de seção transversal de um dorminhoco de ferrovia, 130 mm x 250 mm, poderia obter 12 Vrms em uma única volta, mas também um transformador bastante pesado.
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Como sua premissa básica é falsa, a pergunta não pode ser respondida.
Os transformadores vêm em muitas variedades de tensão e corrente para suas entradas e saídas. Alguns usam muitas voltas de fio fino (alta tensão, baixa corrente). Alguns usam poucas voltas de fio grosso (baixa tensão, alta corrente).
Portanto, a resposta para "Por que eles não ..." é "Eles fazem" (quando apropriado).
Para aqueles que não gostam desta resposta
Vejo que esta resposta recebeu vários votos negativos e aproximadamente o mesmo número de votos positivos. Obviamente, é controverso. Alguns a veem como de baixa qualidade, especialmente depois que outros especulam sobre o verdadeiro significado do OP nos comentários.
Apesar do que os outros acham que o OP significava, ele começou com uma premissa descaradamente falsa, que é que os transformadores têm centenas de voltas tanto nas primárias quanto nas secundárias e que o fio de cobre "fino" é sempre usado. Parece então uma dessas perguntas retóricas: "Por que todo mundo não faz dessa outra maneira óbvia" ?
Foi isso que eu respondi. É a resposta correta para a pergunta conforme interpretada acima. Talvez não seja isso que o OP quis perguntar. Talvez seja. Observe que o OP não voltou para fornecer qualquer esclarecimento ou editar a pergunta.
Uma pergunta muito melhor teria sido sobre as trocas de menos espiras de arame grosso contra mais espiras de arame fino. Perguntar respeitosamente, sem antes julgar ou supor premissas falsas, teria obtido uma resposta muito diferente. No entanto, novamente, agora é isso que foi realmente solicitado, e nem mesmo o que parece ser o OP.
Mesmo que o OP volte e mude a pergunta, deixarei essa resposta como um lembrete para fazer perguntas de maneira adequada e inequívoca, e para não começar afirmando suposições erradas como fatos.
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