Los transformadores tienen cientos de vueltas en el devanado secundario y primario, y como resultado usan cables de cobre muy delgados para cada uno. Pero, ¿por qué no solo usan menos vueltas en cada devanado y obtienen la misma relación de voltaje?
Más importante aún, ¿por qué no usar menos vueltas de un cable más grueso para un VA mayor? (en lugar de 1000: 100 vueltas de cable de 22 awg, ¿por qué no 100: 10 vueltas de cable de 16 awg si esto aumentaría el VA)
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usuario3503966
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Respuestas:
Cuando aplica voltaje al devanado primario de un transformador de potencia, fluirá algo de corriente, incluso cuando el secundario esté en circuito abierto. La cantidad de esta corriente está determinada por la inductancia de la bobina primaria. El primario debe tener una inductancia lo suficientemente alta como para mantener esa corriente razonable. Para transformadores de potencia de 50 o 60 Hz, esta inductancia es bastante alta, y normalmente no se puede llegar con un pequeño número de vueltas en el devanado.
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Si solo tuviera 1 vuelta en un núcleo de hierro, podría tener una inductancia de (digamos) 1 uH. Cuando aplica dos vueltas, la inductancia no se duplica, se cuadruplica. Entonces dos vueltas significa 4 uH. "¿Y qué?" ¡podrías decir!
Bueno, para un voltaje de CA dado aplicado, la corriente tomada por ese devanado de dos vueltas es un cuarto de la corriente para un devanado de una sola vuelta. Tome nota porque esto es fundamental para comprender la saturación del núcleo.
¿Qué causa la saturación del núcleo (algo que se debe evitar en gran medida)? La respuesta es la actual y el número de turnos. Se llama fuerza motriz magneto y tiene dimensiones de amperios.
Entonces, con dos vueltas y una cuarta parte de la corriente, las vueltas de amperios (fuerza magneto-motriz) es la mitad de un devanado de una sola vuelta. Entonces, inmediatamente podemos observar que si dos vueltas llevaran el núcleo al "borde" de saturación, una bobina de una sola vuelta se saturaría significativamente y sería un gran problema.
Esta es la razón fundamental por la cual los transformadores usan muchas vueltas primarias. Si cierto transformador tiene 800 vueltas y está en el punto de saturación, la reducción significativa de las vueltas saturará el núcleo.
¿Qué sucede cuando el núcleo se satura? La inductancia comienza a caer y se toma más corriente y esto satura el núcleo más y bien, deberías ver a dónde va esto.
Tenga en cuenta que esta respuesta no ha considerado otra cosa que el devanado primario; en efecto, solo estamos hablando de la inductancia de magnetización primaria: es esto y solo esto lo que puede saturar el núcleo. Las corrientes de carga secundarias no tienen un papel que jugar en la saturación del núcleo.
También tenga en cuenta que los transformadores utilizados en las fuentes de alimentación de conmutación de alta velocidad tienen relativamente pocas vueltas; 10 Henry a 50 Hz tiene una impedancia de 3142 ohmios y 1 mH a 500 kHz tiene exactamente la misma impedancia. Para un núcleo que produce naturalmente 10 uH para una sola vuelta, para enrollar 1 mH se requieren diez vueltas (recuerde que son vueltas al cuadrado en la fórmula para inductancia). Para el mismo núcleo a 50 Hz (poco práctico, por supuesto), 10 Henry requiere 1000 vueltas.
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Si tiene un núcleo de hierro para un transformador, una de sus especificaciones es "cuántas vueltas debe tener un devanado por un voltio cuando se da la frecuencia". Uno no puede pasar por alto esta especificación y tener menos turnos sin tener las siguientes consecuencias
La corriente transversal puede reducirse aumentando la inductancia del devanado primario.
La especificación de vueltas / voltios es una consecuencia de la siguiente lista de hechos que tienden a reducir las inductancias de la bobina:
¿Cómo se puede luchar contra estos agregando más turnos? Es porque la inductancia crece a medida que el cuadrado del número de vueltas. Uno puede arquear: ¡Pero la magnetización (= vueltas x corriente) también crece! Es cierto, pero crece solo linealmente, por lo que gira lo suficiente y, finalmente, la inductancia es lo suficientemente alta como para superar los inconvenientes.
Exactamente, no todos los inconvenientes. El espacio es limitado. Por lo tanto, más vueltas significa que el cable debe ser más delgado. Esto aumenta la resistencia y las pérdidas resistivas (= calentamiento).
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Los transformadores funcionan mediante la transferencia de energía a través de flujo magnético de un lado a otro.
Ambos lados están formados por inductores, el inductor primario crea un campo magnético, que se induce en el inductor secundario.
La inductancia de un inductor está determinada por el número de vueltas (al lado del área o tamaño):
Ver Wikipedia sobre inductancia
Por lo general, es deseable un transformador pequeño, por lo que más vueltas es mejor que un tamaño mayor (simplemente)
La inductancia tiene que coincidir con la frecuencia de la red. De lo contrario, el devanado primario ahora permitiría que fluye suficiente corriente eléctrica y, por lo tanto, magnética (para frecuencias más altas) o es más como un cortocircuito (para frecuencias más bajas). Ambos no son deseables.
Las frecuencias más bajas requieren una inductancia más alta (= más vueltas o núcleos más grandes). Esta es la razón por la cual las fuentes de alimentación conmutadas, que utilizan frecuencias más altas en los cientos de kHz - rango de MHz, utilizan transformadores tan pequeños mientras pueden transferir mucha más potencia en comparación con los transformadores convencionales.
Una cita del artículo de Wikipedia sobre transformadores :
(El énfasis es mío).
Ver Wikipedia sobre Efecto de frecuencia en transformadores
Entonces,
Conclusión: necesitaría hacer que el transformador sea físicamente más grande para reducir la cantidad de devanados. Al reducir la cantidad de bobinados, disminuye la eficiencia y aumenta las pérdidas. Y esto generalmente no es deseable.
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El campo magnético pico en el núcleo está relacionado con el voltaje pico aplicado por vuelta. Cuanto mayor sea el área del núcleo, más voltios por turno se pueden generar.
No se puede permitir que el campo magnético en el núcleo exceda un cierto valor de saturación, si lo hace, entonces la permeabilidad de las gotas de hierro, y el transformador tiene que extraer órdenes de magnitud más corriente para mantener la magnetización. Por lo tanto, esto limita estrictamente la cantidad de voltios por vuelta que se puede soportar, y le da un número mínimo de vueltas para cualquier devanado.
Para un típico núcleo toroidal pequeño (50 VA, ¿ish?) Que tengo a mano, la sección transversal del núcleo es de 25 mm por 13 mm. Si ejecuto el núcleo con el pico de flujo a ± 1.8 T a 50 Hz, generará aproximadamente 170 mV de pico por turno. Por lo tanto, un devanado de 12 Vrms necesitaría 100 vueltas, el devanado de la red de 240 V necesitaría 2000. Podría usar más vueltas que esto, pero menos vueltas empujarían el núcleo a la saturación.
Si usara un núcleo con el área de la sección transversal de un durmiente de ferrocarril, 130 mm x 250 mm, podría obtener 12 Vrms en una sola vuelta, pero también un transformador bastante difícil de manejar.
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Su premisa básica es falsa, por lo que la pregunta realmente no se puede responder.
Los transformadores vienen en muchas variedades de voltaje y corriente para sus entradas y salidas. Algunos usan muchas vueltas de cable delgado (alto voltaje, baja corriente). Algunos usan pocas vueltas de cable grueso (bajo voltaje, alta corriente).
Entonces, la respuesta a "¿Por qué no ...?" Es "Lo hacen" (cuando sea apropiado).
Para aquellos que no les gusta esta respuesta
Veo que esta respuesta ha recibido una cantidad de votos negativos, y aproximadamente el mismo número de votos positivos. Obviamente es controvertido. Algunos lo ven como de baja calidad, especialmente después de que otros hayan especulado sobre el verdadero significado del OP en los comentarios.
A pesar de lo que otros piensan que significaba el OP, comenzó con una premisa descaradamente falsa, que es que los transformadores tienen cientos de vueltas en sus primarias y secundarias y que siempre se usa cable de cobre "delgado". Entonces suena como una de esas preguntas retóricas "¿Por qué no todos lo hacen de esta otra manera obvia?" .
Esto es lo que respondí. Es la respuesta correcta a la pregunta como se interpretó anteriormente. Quizás eso no sea lo que el OP quiso preguntar. Tal vez lo es. Tenga en cuenta que el OP no ha regresado para proporcionar ninguna aclaración o editar la pregunta.
Una pregunta mucho mejor habría sido sobre las compensaciones de menos vueltas de alambre grueso versus más vueltas de alambre delgado. Preguntar respetuosamente sin emitir un juicio previo o suponer falsas premisas habría obtenido una respuesta muy diferente. Sin embargo, de nuevo, eso es lo que realmente se preguntó, y ni siquiera lo que parece que significaba el OP.
Incluso si el OP regresa y cambia la pregunta, dejaré que esta respuesta sea un recordatorio para hacer preguntas de manera adecuada y sin ambigüedades, y no comenzar declarando suposiciones incorrectas como hechos.
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