¿Puede un transformador funcionar si el núcleo no es circular?

Estoy tratando de construir un transformador para convertir la alimentación de 12 V CA a 5 V CA. Esto es lo que tengo ahora:

Todavía no he ajustado la relación de la bobina, pero lo intenté solo para ver si habría alguna salida y, de hecho, no hay ninguna. Probé el núcleo y es ferromagnético, por lo que supongo que no puede funcionar porque el centro del núcleo está vacío (es una tubería) o porque los solenoides no se pueden alinear y el núcleo debe ser circular.

Agradecería mucho que alguien me explicara qué hay de malo en ese diseño y por qué no funciona (o por qué debería hacerlo).

El núcleo no necesita ser circular, pero debe estar cerrado, de lo contrario, el flujo vinculado será muy bajo.

Además, el hecho de que la tubería esté vacía no mejora la situación, ya que el flujo se concentra donde hay una mayor permeabilidad, es decir, en el núcleo, pero la sección neta del núcleo en su caso es pequeña. De hecho, la mayor parte de la sección de la bobina está llena de aire, que tiene poca permeabilidad.

No puede cerrar el núcleo con un simple trozo de alambre de hierro. No será efectivo, ya que el flujo estará limitado en la sección más pequeña del cable. Tenga en cuenta que el flujo obedece a una especie de "ley de Ohm para circuitos magnéticos", llamada ley de Hopkinson .

El papel de la resistencia lo asume una cantidad conocida como reluctancia , que es proporcional a la sección neta del núcleo donde fluye el flujo. El flujo es análogo a la corriente. Por lo tanto, una pequeña sección limitará en gran medida el flujo. Dado que el papel del voltaje lo toma la fuerza magnetomotriz (MMF) que depende de la corriente en la bobina, puede comprender que con la misma corriente en el primario y una alta resistencia debido a un flujo restringido en una pequeña sección de cable , el flujo será pequeño y, por lo tanto, la corriente inducida en el secundario será pequeña.

Si intenta bombear más corriente en el primario, el resultado será que el núcleo se saturará (un efecto fuertemente no lineal), con la consecuencia de que su permeabilidad disminuirá drásticamente, anulando su intento.

Para tener suficiente acoplamiento entre las dos bobinas, necesita un circuito magnético cerrado con una reticencia sustancialmente baja. Por lo tanto, necesita una ruta cerrada hecha de material ferromagnético con una sección más o menos constante, ya que cualquier estrechamiento en la sección aumentará la reticencia.

EDITAR (provocado por un comentario útil de @Asmyldof)

Aunque, expliqué anteriormente por qué su configuración no es eficiente para un transformador de potencia , y la explicación sigue en pie, hay algunos problemas a tener en cuenta cuando se trata de la operación del transformador. Este interesante artículo sobre transformadores tiene buenas imágenes y profundiza en el tema con más detalle. Señalaré brevemente dos aspectos clave a continuación.

Como dije, para poder tener un alto acoplamiento entre el devanado primario y secundario, se necesita una baja resistencia y un núcleo cerrado. Esto requiere un núcleo sólido con una ruta magnética cerrada. En relación con su configuración, esto mejorará la situación, pero tenga en cuenta que el uso de un núcleo ferromagnético que también es conductor de electricidad, como el hierro, tiene sus inconvenientes.

Primero (y realmente importante para un transformador de potencia) hay pérdidas de potencia en el núcleo. Si el núcleo está hecho de un buen material conductor, se inducirán corrientes parásitas en su sección transversal y esto causará pérdida de potencia por calentamiento de Joule (como en una resistencia). Esta no es la única fuente de pérdidas en el núcleo, pero para los núcleos conductores suele ser la más relevante. Por lo tanto, al usar una barra de hierro sólido como núcleo del transformador, corre el riesgo de perder mucha energía al calentar el núcleo en sí (es por eso que los núcleos hechos de hierro no son sólidos, todavía están "llenos", sino que están laminados, es decir, hechos con muchas capas de material aislado).

El segundo aspecto clave es la saturación . Si aumenta la corriente primaria por encima de cierto límite, el núcleo se saturará y la permeabilidad disminuirá, por lo tanto, la reticencia aumentará. Tener un núcleo de circuito no completamente cerrado es, en este caso, beneficioso. De hecho, a veces los núcleos se construyen con un pequeño espacio de aire, es decir, el núcleo forma un circuito casi cerrado, pero no del todo. El pequeño espacio de aire tiene una resistencia mucho mayor que el resto del núcleo, por lo tanto, aumenta la resistencia general de núcleo + espacio, lo que parece malo, pero la ventaja es que el espacio ayuda a linealizar el núcleo, es decir, limita el efecto de saturación. Además, el espacio es muy pequeño (digamos sobre el grosor de una hoja de papel) y esto evita que el flujo se disperse en el espacio alrededor del núcleo, por lo tanto, no empeora demasiado el acoplamiento general.

Otros enlaces interesantes sobre transformadores:

• Conceptos básicos de transformadores

• Construcción de transformadores

Funcionará en cierto sentido, como cualquier otro transformador, pero como el circuito de flujo solo está cerrado por una fuga de campo magnético de un extremo del núcleo al otro, su resistencia será enorme y, por lo tanto, será mucho menos eficiente de lo que te gustaría Esto normalmente se modela como una "inductancia de fuga".

Mida la inductancia primaria con el circuito abierto secundario. Esto se llama la inductancia primaria. Vuelva a medir con el cortocircuito secundario y verá que la inductancia primaria se reduce ligeramente, ya que ha colocado la "inductancia de fuga" en paralelo con ella. Calcular la inductancia de fuga le permitirá calcular la pérdida en su transformador.

En un buen transformador, la inductancia de fuga es 1% o menos de la inductancia primaria: en la suya es probablemente 10 veces la inductancia primaria o más.

En realidad, si miras la antena de la barra de ferrita en una radio AM, verás varios devanados; Actúa como antena, circuito sintonizado y transformador. El devanado más pequeño transfiere una pequeña proporción de la energía del circuito sintonizado al amplificador y mezclador de RF.

Pero no es un transformador efectivo para la conversión de energía.

Puede mejorarlo doblando la varilla en una "U" o mejor, redondeando en un anillo con un espacio, luego el flujo simplemente tiene que saltar el espacio, dando menor resistencia. A medida que reduce el ancho del espacio, la reticencia disminuye, y también lo hace la inductancia de fuga, lo que aumenta la eficiencia del transformador.

Lo mejor de todo es cerrar la brecha por completo

Sin embargo, a veces queda un pequeño espacio (¡establecido por el grosor de un trozo de papel!) Deliberadamente, para mantener baja la densidad de flujo y evitar saturar el núcleo. Esto generalmente se hace en transformadores de señal, donde la distorsión por saturación es un problema, no en transformadores de conversión de potencia.

No, el material magnético no necesita formar un circuito cerrado, pero eso le permitirá hacer un transformador más pequeño para la misma cantidad de energía. Las líneas de campo magnético siempre estarán en un bucle, la única pregunta es si les proporciona material agradable para que puedan seguirlo fácilmente o no.

Sin embargo, el problema en su caso es que está utilizando un núcleo conductor. El tubo de metal actúa como un cortocircuito secundario, lo que le da a su devanado secundario pocas posibilidades de recoger casi cualquier cosa. Has construido un calentador de inducción, no un transformador.

Además, está poniendo AC en el primario, ¿verdad? Los transformadores funcionan solo con corriente alterna. Es el cambio del campo magnético lo que induce un voltaje a través del secundario.

Como se indicó en otras respuestas, sí, debería funcionar, solo con una transferencia de energía deficiente (siempre que esté utilizando CA).

De hecho, lo que tiene está bastante cerca de un transductor de posición LVDT con una sola bobina secundaria.

Si pegó una barra de acero en el interior de la tubería, puede variar el acoplamiento y obtener una señal de salida variable. Este efecto podría mejorarse utilizando un tubo de plástico delgado y una barra de hierro que ocupa la mayor parte del espacio central posible. Tener en cuenta que esto no necesariamente lo convertirá en un mejor transformador para sus propósitos, pero es un lado interesante.

De la imagen, parece que colocaste las bobinas "una al lado de la otra". Esta configuración le brinda la menor cantidad de flujo de corte a través del devanado secundario. Para mejorar el acoplamiento, debe enrollar el secundario encima del primario. La "eficiencia" del acoplamiento dependerá de lo que use como núcleo (aire, tubería hueca, tubería sólida, etc.), ¡pero la acción del transformador debe funcionar! Si usa 200 vueltas en el primario y 100 vueltas en el secundario, la salida debe ser la mitad del voltaje de entrada. El tamaño de los cables determinará las capacidades actuales de los devanados, pero no el voltaje.