Por que os transformadores usam tantas voltas?

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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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Você está basicamente perguntando: "Por que um projetista de transformador que precisa de um transformador recebendo entrada de 120 VCA e emitindo 12,6 VCA e, portanto, precisando de uma proporção de 10: 1 turnos, usa 1000 voltas no primário e 100 voltas no secundário em vez de 600 liga o primário e 60 liga o secundário? Que fator faz essa escolha? " Essa é a sua pergunta?

— 21417

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"Os transformadores têm centenas de voltas no enrolamento secundário e primário" . Não, eles não, pelo menos nem sempre. Um ótimo exemplo é uma pistola de solda. Aqueles geralmente têm um secundário de uma volta.

— Olin Lathrop

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Os transformadores geralmente acabam usando 10% da corrente nominal de energia apenas para magnetização do núcleo para melhorar o fator de acoplamento mais próximo de 1. Portanto, mesmo uma pistola de solda tem mil voltas no primário para realizar esse V / (2pifL) de 100mA ou mais atual, use > 1 A a 120V para 125W. O número de voltas determina o valor do L primário, não o diâmetro do fio. O secundário de um turno permite a alta taxa de aumento de corrente. Assim, quanto menor o transformador, os mais voltas necessário para elevar a impedância sem carga e reduzir a corrente sem carga de <= 10%

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

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Se ajudar a entender isso de maneira mais intuitiva, menos voltas resultarão em um imã horrível. Além disso, as curvas NO transformam funcionalmente em um curto-circuito, o que é super útil para um transformador de detecção de corrente, mas tolo e perigoso para um transformador em potencial, uma vez que curtos-circuitos em quantidades significativas de tensão tendem a explodir.

— 5157 Sean Boddy

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Leia a questão: por que os transformadores usar tantas voltas para transformar ...

— zx8754

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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.

— mkeith
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Correto e mencione também a permeabilidade do núcleo do mundo real e as dimensões do núcleo. Por exemplo, se o mu de ferro fosse 1000x mais alto, as primárias de 1 volta funcionariam bem. Ou então, enrole nossas primárias de 1 volta em núcleos de ferro de várias toneladas com um metro de largura. (He, ou vala a 60Hz e utilizar uma rede de energia 30KHz, como feito na indústria aeroespacial.)

— wbeaty

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@wbeaty Não, a permeabilidade não afeta a saturação. Se você deseja um primário de 1 volta nesse tamanho de núcleo, precisará de ferro saturado a 2000T em vez de 2T. Núcleos com um metro de largura funcionariam!

— 7117 Neil_UK

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Enquanto a indutância mantém a corrente baixa, a indutância depende da permeabilidade do núcleo, que entrará em colapso se o fluxo do núcleo subir acima da saturação. Devemos projetar curvas suficientes para manter o campo central baixo o suficiente. Se pudéssemos dobrar a permeabilidade do ferro, enquanto isso reduziria pela metade a corrente de magnetização absorvida, não reduziria pela metade o número de voltas que poderíamos usar.

— 7117 Neil_UK

Observe que a frequência é importante - um transformador de classificação semelhante a VA operando em uma aeronave a 440Hz será muito menor e exigirá menos voltas (e, portanto, menos cobre, menos peso, etc.).

— Adam Davis

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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.

— Andy aka
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Comentários não são para discussão prolongada; esta conversa foi movida para o bate-papo .

— Dave Tweed

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@DaveTweed Eu discordo de remover tão cedo os comentários que apontam para uma falha técnica séria da resposta.

— Massimo Ortolano 6/02

E eu discordo de @MassimoOrtolano quando ele afirma que a saturação do núcleo não é causada pela corrente. Bio Savart informa que o fluxo magnético é diretamente proporcional à corrente. E isso não importa nada se a coisa é um transformador ou uma antena de loop. Ouvi os argumentos e aceito que você pode usar volt segundos, mas por que o massimo nega a ligação entre corrente e fluxo. Agora é isso que chamo de falha técnica. Por que massimo não está dando o mesmo tratamento prolongado a outras respostas que dizem o mesmo?

— Andy aka

@MassimoOrtolano: Os comentários não foram removidos, eles foram movidos para uma sala de bate-papo. Siga o link fornecido acima. E por favor continue a discussão lá. Se você chegar a alguma conclusão, poste-a aqui.

— Dave Tweed

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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

eficiência reduzida
Corrente transversal mais indesejada que causa apenas perdas, mas que não é útil para o processo de transformação de tensão

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:

o material de ferro tem permeabilidade magnética limitada
o núcleo de ferro não pode ser feito de ferro cheio. É dividido em camadas finas e isoladas para manter as correntes de Foucault pequenas o suficiente no núcleo. O isolamento ocupa seu espaço e está fora do ferro
o fluxo magnético de um enrolamento ignora parcialmente o ferro e os outros enrolamentos
muita corrente transversal causa saturação magnética no ferro. A saturação reduz radicalmente a permeabilidade magnética

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).

— user287001
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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: $\Phi$

L = \frac{d Φ}{d i} and d Φ = L * d i

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

A indutância de um indutor é determinada pelo número de voltas (ao lado da área ou tamanho):

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

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

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 :

A EMF de um transformador em uma dada densidade de fluxo aumenta com a frequência. ^[16] Ao operar em frequências mais altas, os transformadores podem ser fisicamente mais compactos porque um determinado núcleo é capaz de transferir mais energia sem atingir a saturação e são necessários menos giros para obter a mesma impedância .

(Ênfase minha.)

Consulte a Wikipedia sobre Efeito da frequência em transformadores

Assim,

a potência que o transformador precisa transferir é determinada pela corrente que flui através de suas bobinas
a corrente que o fio deve conduzir determina a espessura do fio (que varia de acordo com o tamanho)
o tamanho da bobina e o número de voltas determinam a indutância
a indutância a uma certa frequência determina a capacidade de transferir energia

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.

— try-catch-finalmente
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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.

— Neil_UK
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Pode ser útil notar que um "dorminhoco" a que as pessoas nos EUA chamam de "empate"; quando vi o termo pela primeira vez, antes de ler as dimensões, pensei que o autor estivesse se referindo a uma carruagem no estilo Pullman.

— Supercat 22/12

Você poderia gentilmente fornecer algum tipo de referência numérica de onde obtém esses números? Procurei na Internet um pouco além da fórmula básica de N1 / N2 e de algumas fórmulas de "número mágico". Estou tendo problemas para encontrar uma resposta coerente que descreva por que alguém se importa com o número de voltas, a frequência e o núcleo. tamanho de um transformador. Eu apreciaria se você também tivesse apenas um documento de referência com essas informações - com todas essas informações (difusas) espalhando-se, receio que seja necessário apenas ler um livro para projetar um transformador simples.

— hedgepig

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@inkyvoyd 25mmx13mm é medido a partir do meu núcleo com pinças, 1.8T para fluxo de pico vem de folhas de dados para ferro de transformador. A transformação entre fluxo, área, frequência e tensão vem da Lei de Faraday. Você pode ver um exemplo resolvido disso em ação em outra das minhas respostas aqui

— #

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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.

— Olin Lathrop
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Não sinalize respostas como de baixa qualidade, a menos que sejam spam ou não sejam uma resposta. Se você não gostar, diminua o voto.

— Voltage Spike

@ laptop2d: Para quem é direcionado?

— Dave Tweed

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@ laptop2d não, é para isso que serve a bandeira "não uma resposta". esse é o epítome da baixa qualidade.

— Feber '07

@ laptop2d também, o sistema coloca automaticamente respostas com baixa votação nessa fila. Você realmente precisa reler as orientações sobre baixa qualidade antes de fazer declarações como essa.

— 7407 Passerby

@Passe e outros. Veja a adição à resposta. Isso responde ao que foi perguntado . Podemos discordar sobre a interpretação dessa pergunta ambígua, mas essa é uma resposta válida para uma interpretação que não pode ser descartada.

— Olin Lathrop