Existe um duplo do transformador?

Capacitores e indutores são duplos um do outro .

Um transformador é composto por dois indutores e transfere energia por indutância mútua , através do campo próximo magnético (certo?) Além disso, você pode variar a taxa de tensões ou correntes alterando a taxa de voltas no núcleo. Você pode pensar nisso como acoplamento de um único loop primário com muitos loops secundários e, em seguida, empilhando os loops secundários para que suas tensões de saída sejam somadas.

Existe um duplo elétrico do transformador? Algo que usa capacitância e transfere energia através do campo próximo elétrico sobre uma barreira de isolamento? Alguma maneira de acoplar um único capacitor primário a vários capacitores secundários e empilhá-los para fazer a conversão de energia somando suas saídas?

Sei que um suprimento isolado pode ser construído usando dois capacitores, mas não tenho certeza se é exatamente um dual ou se há um equivalente a ajustar a proporção de voltas:

fonte

Ou talvez algo relacionado a isso?

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Por exemplo, existem divisores de voltagem capacitivos, mas eles apenas reduzem a voltagem, não podem aumentá-la como um autotransformador. Existem bombas de carga, mas essas requerem elementos ativos, como interruptores ou diodos, que não estão presentes em um transformador.

Mais sucintamente: existe uma maneira de transformar energia (1 V, 5 A no primário para 5 V, 1 A no secundário) usando campos elétricos em vez de campos magnéticos e apenas componentes passivos? Se não, por que não? (Triagem de campo elétrico?)

Na verdade, isso é algo comum de se perguntar.

Há um dual nisso. Quando você possui dispositivos que compartilham um enrolamento comum e um fluxo magnético ("corrente" magnética), ele é um dual perfeito para dispositivos que compartilham um condutor elétrico comum. Bela imagem da wikipedia :

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Você também pode dar uma olhada em " Circuitos Magnéticos ". Você pode começar a aprender alguns termos divertidos ao abordar esses conceitos em detalhes, como " Capacitância magnética ", parece que meu fluxo tem capacitância.

A maneira como você pode determinar quanta energia passa através de um transformador pode ser dividida em um circuito magnético que funciona exatamente como um circuito elétrico com unidades diferentes. Os circuitos magnéticos são análogos dos circuitos elétricos , que são muito mais fáceis de trabalhar por muitas razões.

Pense nisso como uma fonte de tensão ou uma fonte de corrente. Eles são análogos diretos, mas quando você constrói uma fonte de tensão, é muito mais fácil do que uma fonte de corrente.

Nota

O fluxo magnético é compartilhado em um núcleo devido ao fato de que o fluxo magnético é perpendicular ao fio, o problema com o fluxo elétrico é que ele aponta entre duas superfícies, não circuladas. Se ele contornasse um dielétrico, o trabalho seria feito.

Em relação ao capacitor dentro do outro

Se o menor se tornar maior, ele acabará agindo como dois capacitores de acoplamento com um resistor em série entre eles, à medida que diminui, o campo elétrico geral será mínimo, mas você pode colocar um grande E-Field lá, não quase tão eficaz quanto um transformador.

Vou começar dizendo que não tenho certeza. No entanto, estou inclinado a dizer não. Os transformadores não são componentes elétricos "elementares". Capacitores e indutores (e resistores) são todos dispositivos de impedância fundamentais (complexos).

Um transformador é uma composição de dois indutores. Como você observou, ele transforma energia através do princípio da indutância magnética. Em particular, opera com base no efeito colateral espacial da corrente que flui através de uma bobina (isto é, acoplamento de linhas de campo magnético variáveis ​​no tempo). Toda a "ação" em um capacitor está confinada ao que está acontecendo entre as placas, por assim dizer.

A coisa mais próxima que posso pensar em uma analogia dupla com o que está acontecendo em um transformador é a idéia de acoplamento capacitivo que causa "interferência" entre traços adjacentes em barramentos de sinalização de alta velocidade ...

sim, você pode renunciar pelo menos, pode usar tampas como uma ponte resistiva - coloque duas em série, digamos, na proporção 10: 1 (10nF e 1nf) em 110v CA e meça a tensão CA em 10nF - você veja aproximadamente 11v CA - é uma maneira bastante ineficiente de produzir uma tensão mais baixa - mas é uma maneira barata se você precisar apenas de um mA ou mais - mas quanto mais energia você precisar usar (você precisa de tampas maiores), mais ineficiente fica ( como um divisor resistivo)

Um transformador é elétrico e magnético. Não é estritamente magnético, por isso não faz sentido pedir um dual elétrico! Em vez disso, podemos perguntar: o que é um dispositivo semelhante a um transformador no qual o magnetismo e a eletricidade mudam de lugar. Eu lhe dou:

Um campo magnético variável que entra através do núcleo primário induz o fluxo de corrente na bobina, o que induz um campo magnético variável no núcleo secundário.

Agora há outra dualidade, aquela entre corrente e tensão. O transformador não possui dual nesse sentido, porque na verdade altera a impedância. Poderíamos perguntar: o que é um dispositivo que trata a admissão como impedância (os dois são duplos). Mas isso é realmente apenas o próprio transformador, apenas com uma proporção invertida de enrolamentos. Ou seja, um dispositivo que aumenta a impedância por dois e um dispositivo que aumenta a admissão por dois são o mesmo transformador, usado apenas na direção oposta.

Ok, eu tenho perseguido isso na minha cabeça há meses. Eu construí alguns protótipos, como um exercício para entender os campos envolvidos. Finalmente tenho uma resposta em que posso acreditar.

Digamos que você tenha o conceito original, um capacitor dentro de um capacitor. Compare isso com isso:

Eu argumentaria que esse circuito é idêntico ao nosso arranjo de quatro placas. Cada uma das placas internas de nossa pilha de quatro placas ainda é um condutor com grande área de superfície e grande capacitância para as placas de ambos os lados. Nós os desenhamos como duas placas separadas, sem impedância entre elas, mas isso nada altera eletricamente. Agora o circuito parece mais familiar. Na verdade, são apenas três capacitores. E o outro lado do secundário realmente não adiciona nada, apenas cria um divisor de tensão. Você conseguirá isso quando anexar uma carga de qualquer maneira.

Isso tem propriedades muito semelhantes a um transformador. O controlador de domínio não pode passar do primário para o secundário, mas o CA pode. Isso torna o sistema isolado galvanicamente. No entanto, isso não necessariamente o torna isolado para fins práticos! Se você colocar CA entre o primário e o secundário de um transformador ideal, nada acontece. Se você colocar CA entre o primário e o secundário deste circuito, obtém muito fluxo de corrente. Portanto, isso falharia em um teste CA hi-pot e o ruído do modo comum de um lado seria transferido alegremente para o outro.

Se esses não são problemas para uma aplicação, pode haver algumas vantagens em relação a um transformador magnético. Por um lado, você pode transferir mais energia em frequências mais altas, um pouco o inverso de um transformador. (Dependendo do transformador, é claro.) Não há obscuridade dos materiais e geometrias do núcleo para lidar. Suspeito que seja mais eficiente que um transformador, embora não tenha dados para demonstrar isso. Em vez de correntes de Foucault, perdas de histerese e perdas de enrolamento, tudo o que temos é a perda de ESR nos capacitores, que eu esperaria ser muito menor. E é seguro para DC! Se você colocar CC em um transformador, o núcleo ficará saturado e você provavelmente quebrará alguma coisa. Coloque DC nisso, e absolutamente nada acontece.

Agora, por que não podemos avançar, se é realmente o dual de um transformador? Porque os campos elétricos e os campos magnéticos têm algumas assimetrias fundamentais. Um campo elétrico inicia com uma carga positiva e termina com uma carga negativa. Você não pode expor um condutor ao campo elétrico de outro condutor; o campo elétrico de um capacitor envolve, definitivamente, dois condutores e, se você tentar introduzir um terceiro, ele apenas move alguns dos pontos de terminação. (Versão em quadrinhos, eu não sou físico.) Mas um campo magnético sempre termina onde começa, de modo que um único condutor pode ter um campo magnético ao qual o secundário pode ser exposto com geometria variável.

Em outras palavras, é porque os campos elétricos são unipolares, com cada extremidade em uma partícula separada. Os campos magnéticos são dipolares, iniciando e terminando em pólos opostos do mesmo ímã, formando loops. De forma divertida, o comentário de @JustJeff foi invertido! Nós realmente precisamos de um dipolo elétrico, não de um monopolo magnético!

Se um transformador é dois condutores que compartilham um campo magnético, seu duplo seria dois condutores que compartilham um campo elétrico. Em outras palavras, o dual do transformador é um par de capacitores.

Sim existe. É "Guia de onda acoplado ao slot". Embora não seja tão puro quanto apenas dois capacitores acoplados, é quase 100% baseado em capacitância e envolve indutância inerente e núcleo de ar magnético e mais condutores.

Minha idéia de um dual é a antena dipolo , ou, em termos mais gerais, qualquer antena.

Vejo a principal dificuldade em encontrar uma dupla no fato de que as linhas de campo magnético estão sempre fechadas, enquanto as linhas de campo elétrico não são. Isso significa que, embora um indutor por si só seja um sistema independente e não precise irradiar energia, uma armadura de capacitor estará sempre 'procurando por seu par' e irradiará em maior ou menor grau. Em outras palavras, se você tem um fio e injeta corrente (alta frequência), é muito provável que a corrente esteja realmente presente, mesmo que o circuito não esteja visivelmente fechado. O local exato do caminho de retorno depende do tamanho do condutor que você possui nas proximidades (por exemplo, armário de arquivos, encanamento etc.). É possível definir um impedância mútua , da mesma forma que a indutância mútua entre bobinas em um transformador é definida.

William Beaty responde sua pergunta em "CIRCUITRIA DE ÂNGULO DIREITO - ou - Eletrônica CA para mentes alienígenas" ?

Um transformador é frequentemente desenhado como uma bobina de fio de cobre à esquerda, uma bobina de fio de cobre à direita e um anel de ferrite no meio passando pelo centro de cada um.

Esse artigo sugere a possibilidade de "bobina" de ferrite à esquerda, uma "bobina" de ferrite à direita e um anel de cobre no meio passando pelo centro de cada um.

O principal problema é que os indutores envolvem " multiplicar o espaço conectado"Com campos eletrônicos puramente eletrostáticos, se uma carga se move do ponto A para o ponto B, ela sempre percorre a mesma queda de potencial, independentemente do caminho louco que possa seguir. Mas com a alteração dos campos b adicionados à mistura, se um a carga que viaja de A a B deve formar um, dois, três círculos que envolvem a mudança do fluxo magnético e, em seguida, a carga percorre uma queda de potencial de 1x, 2x ou 3x. Quando não passa pelo "espaço simplesmente conectado", o caminho percorrido pode afetar o Portanto, em termos de voltagem, se você gira em torno de um círculo, nunca volta ao seu ponto de partida e, se você gira repetidamente, acaba cada vez mais longe do local em que começou (e, portanto, se enfie a mão em uma bobina com uma corrente que cresce rapidamente, uma MÃO FUNDAMENTALMENTE DIFERENTE sai do outro lado!)

Se tivéssemos condutores de "magneticidade" cheios de monopólos magnéticos móveis, uma bobina enrolada por esse condutor seria um Dual muito melhor de uma bobina convencional.

Aqui está um dual não-dual. Faça um capacitor com um dielétrico muito longo, como uma haste PZT conectando as duas placas. Agora dobre a haste e faça espiral em espiral para formar uma bobina. (Ou talvez jogue-o e cozinhe para endurecer.) Aplique CA às placas do capacitor que você anexou às extremidades da haste dielétrica. Ratos, apenas gera um campo magnético, igual a qualquer bobina, mesmo que a "bobina" seja um isolador. Hmm. Não totalmente desperdiçado embora. Provavelmente poderíamos conectar hastes de cerâmica semelhantes a um transformador de sinal de néon e depois pular um arco entre as extremidades. Pode não funcionar bem em 60Hz, portanto, use um desses drivers de néon de estado sólido de 30KHz.

Um capacitor configurado como um filtro passa-alto está transferindo informações (e energia) através do espaço usando o campo elétrico.

Vale a pena notar, neste contexto, que o "capacitor" usual que você coloca em uma placa possui dois pólos, mas não há nada necessário nesse arranjo. Um condutor solto pendurado no espaço tem uma (pequena!) Capacitância e é um capacitor.

Não sei se o modelo de três capacitores acima é realmente um análogo do conceito de quatro placas. (Algo que eu tenho intrigado nos últimos cinco anos ou mais sem a oportunidade de fazer qualquer estudo experimental abrangente.)

Gostaria de propor que o efeito capacitivo precise envolver as placas internas para garantir que a carga no secundário (C1 no diagrama original de 4 placas) seja igual à carga no primário. Este problema com o dual foi apontado acima com uma menção de "espaço multiplamente conectado" em referência ao acoplamento magnético das bobinas do transformador. Aqui precisamos ter acoplamento eletrostático. (Estou jogando palavras, mas espero que você entenda meu significado.)

Quando isso é alcançado (presumindo que a frequência da fonte seja alta para fornecer reatâncias baixas para os dois capacitores), poderíamos dizer que se Q = CV e Q1 = Q2, então

C1V1 = C2V2 e você tem algo que é o dual da ração de voltas para transformadores.

Transformadores indutivos, sabemos, são melhores em baixa frequência. A transformação - e transferência de energia através da eletrostática - seria melhor em alta frequência, como o duplo implicaria.

Como a transformação depende da constante troca de carga de alta frequência, você poderia chamá-lo de "capacitor de fluxo", exceto que eu acho que esse nome foi adotado! :)

Meu endereço de e-mail é jeffrey.stokes@tafensw.edu.au. Gostaria de convidar qualquer discussão adicional sobre essa idéia.

Uma edição tardia ... Se você quiser aumentar a tensão, basta aumentar a capacitância do primário muito maior que o secundário. Tornar a Primária o par interno de placas seria a maneira mais fácil, pois a distância dielétrica é naturalmente maior. Se de fato C1V1 = C2V2, como meus experimentos mentais me sugeriram, então, no primário, teríamos uma capacitância mais alta e uma tensão mais baixa. No secundário, teríamos menor capacitância e maior tensão.

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Eu inventei um experimento usando chapa de alumínio fina, filme plástico e parafusos de nylon para unir um prático dispositivo de 4 placas. A conexão elétrica será feita na borda de cada placa. Vou usar um suprimento de 100kHz e uma carga de 1 kOhm. Vou publicar meus resultados aqui e incluir imagens das ondas, bem como a corrente RMS dentro e fora. Vou diminuir pela metade a frequência e verificar o "acoplamento". Além disso, diminuirei a capacitância do par externo inserindo camadas extras de filme e determinarei se isso tem o efeito de aumentar a tensão de saída como eu previ.