Relação do enrolamento do transformador versus contagem real do enrolamento

A tensão de saída do transformador depende da proporção da contagem de enrolamentos nas bobinas primárias e secundárias, mas há um impacto no desempenho do transformador pela contagem real de enrolamentos?

Digamos, eu quero ter uma proporção de 1: 2, eu poderia enrolar 10:20 ou 100: 200 enrolamentos.

Em geral, mais enrolamentos - maior a resistência, indutância e custo. Existe algum ponto em se enrolar mais ou a contagem de enrolamentos é mantida no mínimo absoluto? Como a contagem mínima de enrolamentos é determinada?

O campo magnético induzido é proporcional a voltas ampères, que é o número de vezes atual. A energia elétrica é convertida em energia magnética no núcleo e volta a energia elétrica. O núcleo deve ser grande o suficiente para sustentar isso sem saturar. Para um transformador de 100 VA, você deseja transferir mais energia magneticamente do que para um transformador de 10 VA. O 100 VA é maior porque tem mais voltas para construir um campo mais forte e também precisa de um núcleo maior para evitar sua saturação.

Digamos, eu quero ter uma proporção de 1: 2, eu poderia enrolar 10:20 ou 100: 200 enrolamentos

Há duas razões para responder a isso e Brian fez um trabalho decente ao explicar o problema básico com poucas voltas no primário, mas perdeu algumas sutilezas. O outro motivo é apontar o erro na resposta atualmente aceita.

Ignorando o enrolamento secundário (e qualquer carga que possa estar conectada a ele), o transformador se torna apenas um indutor. Se esse indutor for colocado em uma fonte CA, você deseja que a indutância seja alta o suficiente para evitar que uma grande corrente reativa seja retirada da fonte - as empresas de energia estariam prontas se todos os principais transformadores usassem 10 amperes de corrente reativa - o sistema de fornecimento de rede iria falhar e queimar !!

Mas há outra razão também e isso está relacionado à saturação do núcleo. Eu ainda estou falando sobre o transformador como indutor aqui; as voltas e as dimensões do núcleo determinam o campo H dentro do núcleo e os amperes são determinados pela indutância (e tensão de alimentação). Por sua vez, a indutância é determinada por outros parâmetros principais e pelo número de voltas.

Portanto, compare 10 voltas com 100 voltas - a primária de 100 voltas tem 100 vezes a indutância da primária de 10 voltas e isso significa que a corrente (para uma alimentação CA fixa) é 100 vezes menor do que para a primária de 10 voltas.

Assim, os amplificadores reduziram em 100, mas os turnos aumentaram em 10, o efeito líquido é que os amplificadores reduziram em 10 - isso significa que o campo H diminuiu em dez e é muito menos provável que o núcleo sature.

Se você conectar a carga secundária, a corrente no primário aumentará da corrente de magnetização básica para uma corrente mais alta. Essa mudança na corrente é chamada de corrente referida primária, obtida pela carga secundária.

Portanto, agora pode haver mais dois conjuntos de voltas de ampère a serem considerados - o volante de ampère secundário e o de ampère primário extra devido à carga secundária. Eu digo "poder" porque, de fato, não precisamos considerá-los - eles cancelam perfeitamente dentro do núcleo e o núcleo não é mais saturado devido à corrente de carga do que quando a carga secundária não estava lá.

Mas muitos engenheiros parecem não gostar disso - parece pouco intuitivo, então como posso convencer um descrente? Considere os 4 seguintes cenários: -

Os cenários 1 e 2 são sobre a conversão de um único enrolamento primário em dois enrolamentos paralelos. S1 tem uma corrente de magnetização de Im e, portanto, cada enrolamento em S2 leva Im / 2. Em outras palavras, os fios paralelos intimamente acoplados se comportam como um único fio. Curiosamente, cada fio é S2 DEVE agora ter o dobro da indutância e, se você reorganizar esses dois fios em série, você terá uma indutância primária que é 4 vezes a do S1 - isso prova que dobrar o número de voltas quadruplica a indutância. Dez vezes o número de voltas significa cem vezes a indutância.

O S3 pede que você considere o que acontece quando um dos enrolamentos paralelos do S2 é desconectado - qual seria a relação de fase da tensão nesse enrolamento desconectado em comparação com a tensão primária do enrolamento? Se você considera antifase a tensão primária, o que teria acontecido no cenário 2 teria criado um incêndio!

Portanto, claramente a tensão induzida no enrolamento desconectado (S3) é a mesma fase (e magnitude) que a tensão primária.

S4 deve estar livre - conecte uma carga ao enrolamento isolado e a corrente que flui no primário está na direção oposta à corrente que flui no "novo" secundário.

Em resumo, isso significa que o ampere gira no primário (devido à corrente de carga secundária) É totalmente cancelado pelos amperes no secundário.

Isso também significa que um transformador necessário para lidar com uma potência de carga mais alta não é aumentado devido à possibilidade de saturação do núcleo. É maior para que os fios mais grossos (menor perda de cobre) possam ser usados ​​e os fios mais grossos exijam mais espaço, portanto, um núcleo maior.

Para qualquer transformador, você deseja transferir a maior parte da energia fornecida para a carga, para desperdiçar o mínimo de energia possível no transformador.

No entanto, você precisa gastar um pouco de energia para magnetizar o núcleo em cada meio ciclo, e o número de turnos influencia a energia necessária para fazer isso. Você pode modelar essa energia desperdiçada como uma indutância conectada no primário, para maximizar a impedância dessa indutância para minimizar a energia desperdiçada.

E a indutância é proporcional ao quadrado do número de voltas, portanto, o primário de 100 voltas terá 100x a indutância do primário de 10 voltas.

Para aumentar a impedância, você pode fazer três coisas:

1. Aumente a frequência de condução. Assim, você pode precisar apenas de 10 voltas com uma frequência de condução de 5kHz ou superior, como visto em uma fonte de alimentação comutada.
2. Mude o material ou a geometria do núcleo do transformador. (As laminações E / I de aço silício são as melhores para operação em 50Hz, mas a ferrita com indutância específica mais baixa tem vantagens em frequências mais altas)
3. Aumente o número de turnos. Se você estiver preso com ferro de silício e 50Hz, esta é sua única opção, portanto, a maioria dos transformadores principais possui enrolamentos primários de várias centenas de voltas.