Warum verwenden Transformatoren so viele Windungen?

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Transformatoren haben sowohl an der Sekundär- als auch an der Primärwicklung Hunderte von Windungen, weshalb jeweils sehr dünne Kupferdrähte verwendet werden. Aber warum verbrauchen sie nicht einfach weniger Windungen an jeder Wicklung und erhalten das gleiche Spannungsverhältnis?

Noch wichtiger ist, warum nicht weniger Windungen eines dickeren Drahtes für eine erhöhte VA verwenden? (anstelle von 1000: 100 Umdrehungen von 22 AWG-Draht, warum nicht 100: 10 Umdrehungen von 16 AWG-Draht, wenn dies die VA erhöhen würde)

transformer

— user3503966
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Fragen Sie sich im Grunde: "Warum sollte ein Transformatorentwickler, der einen Transformator benötigt, der 120 V Wechselspannung einspeist und 12,6 V Wechselspannung abgibt und daher ein Übersetzungsverhältnis von 10: 1 benötigt, 1000 Windungen auf der Primärseite und 100 Windungen auf der Sekundärseite anstelle von 600 Windungen verwenden?" schaltet die Primär- und 60 die Sekundärstufe ein? Welcher Faktor trifft diese Wahl? " Ist das deine Frage?

— jonk

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"Transformatoren haben Hunderte von Windungen sowohl an der Sekundär- als auch an der Primärwicklung" . Nein, zumindest nicht immer. Ein gutes Beispiel ist eine Lötpistole. Diese haben in der Regel eine Singleturn-Sekundärwicklung.

— Olin Lathrop

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Transformatoren verbrauchen häufig 10% des Nennstroms, nur um die Kernmagnetisierung zu verbessern und den Kopplungsfaktor näher an 1 zu bringen. Selbst eine Lötpistole hat also tausend Windungen an der Primärwicklung, um diesen Strom von etwa 100 mA V / (2pifL) zu erreichen, der dann verwendet wird > 1 A bei 120 V für 125 W. Die Anzahl der Windungen bestimmt den Wert des primären L, nicht den Drahtdurchmesser. Die Sekundärwicklung mit einer Windung ermöglicht das Hochstromverstärkungsverhältnis. Je kleiner der Transformator, desto mehr Windungen sind erforderlich, um die Leerlaufimpedanz zu erhöhen und den Leerlaufstrom auf <= 10% zu senken

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

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Wenn es hilft, dies intuitiver zu verstehen, sind weniger Umdrehungen ein schrecklicher Magnet. Außerdem wird es durch NO-Wendungen funktionell zu einem Kurzschluss, der für einen Stromerfassungstransformator sehr nützlich, für einen potenziellen Transformator jedoch albern und gefährlich ist, da Kurzschlüsse über bedeutende Spannungsmengen zur Explosion neigen.

— Sean Boddy

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Lesen Sie die Frage als: Warum verwenden Transformatoren so viele Umdrehungen, um zu transformieren ...

— zx8754

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Wenn Sie die Primärwicklung eines Leistungstransformators mit Spannung versorgen, fließt ein gewisser Strom, auch wenn die Sekundärwicklung offen ist. Die Höhe dieses Stroms wird durch die Induktivität der Primärspule bestimmt. Die Primärwicklung muss eine Induktivität haben, die ausreicht, um diesen Strom angemessen zu halten. Bei 50- oder 60-Hz-Leistungstransformatoren ist diese Induktivität ziemlich hoch, und mit einer geringen Anzahl von Windungen in der Wicklung ist dies normalerweise nicht möglich.

— mkeith
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Korrigieren Sie und erwähnen Sie auch die reale Kernpermeabilität und die Kernabmessungen. Wenn zum Beispiel der mu des Eisens 1000x höher wäre, würden 1-Umdrehungs-Vorwahlen gut funktionieren. Oder wickeln Sie unsere Vorwahlen mit einer Windung auf meterbreite Eisenkerne mit mehreren Tonnen. (Heh, oder lassen Sie die 60Hz los und verwenden Sie ein 30-kHz-Stromnetz, wie in der Luft- und Raumfahrt.)

— 6.

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@wbeaty Nein, die Permeabilität hat keinen Einfluss auf die Sättigung. Wenn Sie einen Primärkern mit 1 Umdrehung in dieser Größe benötigen, benötigen Sie Eisen mit einer Sättigung von 2000T anstelle von 2T. Meter breite Kerne würden funktionieren!

— Neil_UK

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@mkeith Während die Induktivität den Strom niedrig hält, hängt die Induktivität von der Kernpermeabilität ab, die zusammenbricht, wenn der Kernfluss über die Sättigung steigt. Wir müssen genug Windungen entwerfen, um das Kernfeld niedrig genug zu halten. Wenn wir die Eisenpermeabilität verdoppeln könnten, während dies den aufgenommenen Magnetisierungsstrom halbieren würde, würde dies nicht die Anzahl der Windungen halbieren, die wir verwenden könnten.

— Neil_UK

Beachten Sie, dass die Frequenz wichtig ist - ein ähnlich VA-bemessener Transformator, der in einem Flugzeug mit 440 Hz betrieben wird, ist viel kleiner und erfordert weniger Windungen (und damit weniger Kupfer, weniger Gewicht usw.).

— Adam Davis

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Wenn Sie nur 1 Umdrehung auf einem Eisenkern hatten, konnte es eine Induktivität von (sagen wir) 1 uH haben. Wenn Sie zwei Windungen anlegen, verdoppelt sich die Induktivität nicht, sondern vervierfacht sich. Zwei Windungen bedeuten also 4 uH. "Na und?" du könntest sagen!

Nun, für eine gegebene angelegte Wechselspannung ist der von dieser Wicklung mit zwei Windungen aufgenommene Strom ein Viertel des Stroms für eine Wicklung mit einer Windung. Beachten Sie, dass dies für das Verständnis der Kernsättigung von grundlegender Bedeutung ist.

Was bewirkt eine Kernsättigung (was weitgehend vermieden werden sollte)? Die Antwort ist die aktuelle und die Anzahl der Windungen. Es wird als magnetomotorische Kraft bezeichnet und hat Abmessungen von Amperewindungen.

Mit zwei Windungen und einem Viertel des Stroms ist die Amperewindung (magnetomotorische Kraft) also halb so groß wie die einer Wicklung mit einer Windung. Wir können also sofort feststellen, dass eine Spule mit einer Windung, wenn zwei Windungen den Kern bis zum Rand der Sättigung bringen würden, eine erhebliche Sättigung verursachen und ein großes Problem darstellen würde.

Dies ist der Hauptgrund, warum Transformatoren viele Primärwindungen verwenden. Wenn ein bestimmter Transformator 800 Windungen hat und sich am Sättigungspunkt befindet, wird der Kern durch eine deutliche Reduzierung der Windungen gesättigt.

Was passiert, wenn der Kern gesättigt ist? Die Induktivität beginnt zu sinken und es wird mehr Strom aufgenommen, und dies sättigt den Kern mehr und mehr. Nun, Sie sollten sehen, wohin dies führt.

Beachten Sie, dass diese Antwort nichts anderes als die Primärwicklung berücksichtigt hat. In der Tat sprechen wir nur von der primären Magnetisierungsinduktivität - dies und das allein kann den Kern sättigen. Sekundäre Lastströme spielen bei der Kernsättigung keine Rolle.

Beachten Sie auch, dass Transformatoren, die in Hochgeschwindigkeits-Schaltnetzteilen verwendet werden, relativ wenige Windungen haben. 10 henry bei 50 Hz hat eine Impedanz von 3142 Ohm und 1 mH bei 500 kHz hat genau die gleiche Impedanz. Für einen Kern, der auf natürliche Weise 10 uH für eine einzelne Windung erzeugt, sind zum Wickeln von 1 mH zehn Windungen erforderlich (denken Sie daran, dass die Windungen in der Formel für die Induktivität im Quadrat sind). Für den gleichen Kern bei 50 Hz (natürlich unpraktisch) erfordert 10 henry 1000 Umdrehungen.

— Andy aka
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Kommentare sind nicht für eine längere Diskussion gedacht. Diese Unterhaltung wurde in den Chat verschoben .

— Dave Tweed

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@ DaveTweed Ich bin nicht einverstanden mit einer so frühen Entfernung von Kommentaren, die auf einen schwerwiegenden technischen Fehler einer Antwort hinweisen.

— Massimo Ortolano

Und ich stimme @MassimoOrtolano nicht zu, wenn er behauptet, dass die Kernsättigung nicht durch Strom verursacht wird. Bio Savart informiert, dass der magnetische Fluss direkt proportional zum Strom ist. Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich um einen Transformator oder eine Rahmenantenne handelt. Ich habe die Argumente gehört und akzeptiert, dass Sie Volt-Sekunden verwenden können, aber warum leugnet Massimo die Verbindung zwischen Strom und Fluss. Das nenne ich einen technischen Defekt. Warum behandelt Massimo andere Antworten, die dasselbe aussagen, nicht so lange?

— Andy aka

@MassimoOrtolano: Die Kommentare wurden nicht entfernt, sondern nur in einen Chatroom verschoben. Folgen Sie dem oben angegebenen Link. Und bitte setzen Sie die Diskussion dort fort. Wenn Sie zu Schlussfolgerungen gelangen, posten Sie diese hier.

— Dave Tweed

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Wenn Sie einen Eisenkern für einen Transformator haben, lautet eine der Spezifikationen "Wie viele Windungen muss eine Wicklung pro Volt haben, wenn die Frequenz angegeben wird". Man kann diese Spezifikation nicht umgehen und hat weniger Kurven ohne die folgenden Konsequenzen

reduzierter Wirkungsgrad
Mehr unerwünschter Querstrom, der nur Verluste verursacht, aber nichts Nützliches für den Spannungsumwandlungsprozess ist

Der Querstrom kann durch Erhöhen der Induktivität der Primärwicklung verringert werden.

Die Angabe der Windungen / Volt ergibt sich aus der folgenden Liste von Tatsachen, die alle dazu neigen, die Spuleninduktivitäten zu verkleinern:

Das Eisenmaterial hat eine begrenzte magnetische Permeabilität
Der Eisenkern kann nicht aus Volleisen bestehen. Es ist in dünne isolierte Schichten unterteilt, um die Wirbelströme im Kern klein genug zu halten. Die Isolierung nimmt ihren Platz ein und das ist weg vom Eisen
Der magnetische Fluss einer Wicklung umgeht teilweise das Eisen und die anderen Wicklungen
Zu viel Querstrom führt zu einer magnetischen Sättigung des Eisens. Die Sättigung verringert die magnetische Permeabilität radikal

Wie kann man dagegen vorgehen, indem man mehr Runden hinzufügt? Das liegt daran, dass die Induktivität als Quadrat der Anzahl der Windungen wächst. Man kann sagen: Aber die Magnetisierung (= dreht x Strom) wächst auch! Es stimmt, aber es wächst nur linear, also genug Windungen, und schließlich ist die Induktivität hoch genug, um die Nachteile zu überwinden.

Genau, nicht alle Nachteile. Der Platz ist begrenzt. Mehr Windungen bedeuten also, dass der Draht dünner sein muss. Dies erhöht den Widerstand und die Widerstandsverluste (= Erwärmung).

— user287001
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Transformatoren übertragen Energie über den Magnetfluss von einer Seite zur anderen.

Beide Seiten bestehen aus Induktoren, der Primärinduktor erzeugt ein Magnetfeld, das in den Sekundärinduktor induziert wird.

Die Induktivität bestimmt die Fähigkeit, aus einem Strom einen magnetischen Fluss ( ) zu erzeugen und ist proportional: $\Phi$

L = \frac{d Φ}{d i} and d Φ = L * d i

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

Die Induktivität eines Induktors wird durch die Anzahl der Windungen (neben der Fläche oder Größe) bestimmt:

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

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

Siehe Wikipedia zur Induktivität

Ein kleiner Transformator ist normalerweise wünschenswert, daher sind mehr Windungen besser als größere (einfach ausgedrückt).

Die Induktivität muss mit der Netzfrequenz übereinstimmen. Andernfalls würde die Primärwicklung jetzt entweder genügend elektrischen und damit magnetischen Strom fließen lassen (für höhere Frequenzen) oder eher einem Kurzschluss (für niedrigere Frequenzen) ähneln. Beides ist nicht wünschenswert.

Niedrigere Frequenzen erfordern eine höhere Induktivität (= mehr Windungen oder größere Kerne). Dies ist der Grund, warum Schaltnetzteile, die höhere Frequenzen im Bereich von Hunderten von kHz - MHz verwenden, so kleine Transformatoren verwenden und dabei im Vergleich zu herkömmlichen Transformatoren viel mehr Leistung übertragen können.

Ein Zitat aus dem Wikipedia- Artikel über Transformatoren :

Die EMF eines Transformators bei einer gegebenen Flussdichte nimmt mit der Frequenz zu. ^[16] Durch den Betrieb bei höheren Frequenzen können Transformatoren physisch kompakter sein, da ein bestimmter Kern mehr Leistung übertragen kann, ohne die Sättigung zu erreichen, und weniger Windungen erforderlich sind, um die gleiche Impedanz zu erreichen .

(Betonung meiner.)

Siehe Wikipedia zum Einfluss der Frequenz auf Transformatoren

Damit,

Die Leistung, die der Transformator übertragen muss, wird durch den Strom bestimmt, der durch seine Spulen fließt
Der Strom, den der Draht leiten muss, bestimmt die Drahtstärke (die sich auf die Größe auswirkt).
Die Größe der Spule und die Anzahl der Windungen bestimmen die Induktivität
Die Induktivität bei einer bestimmten Frequenz bestimmt die Fähigkeit zur Energieübertragung

Fazit: Sie müssten den Transformator physikalisch vergrößern, um die Anzahl der Wicklungen zu reduzieren. Wenn Sie die Anzahl der Wicklungen verringern, verringern Sie den Wirkungsgrad und erhöhen die Verluste. Und das ist normalerweise nicht wünschenswert.

— try-catch-finally
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Das Spitzenmagnetfeld im Kern steht in Beziehung zur angelegten Spitzenspannung pro Windung. Je größer die Fläche des Kerns ist, desto mehr Volt pro Windung können erzeugt werden.

Das Magnetfeld im Kern darf einen bestimmten Sättigungswert nicht überschreiten, sonst sinkt die Permeabilität des Eisens und der Transformator muss um Größenordnungen mehr Strom ziehen, um die Magnetisierung aufrechtzuerhalten. Dies begrenzt streng, wie viele Volt pro Windung unterstützt werden können, und gibt Ihnen so eine minimale Anzahl von Windungen für jede Windung.

Für einen typischen kleinen (50 VA, ish?) Ringkern, den ich zur Hand habe, beträgt der Kernquerschnitt 25 mm mal 13 mm. Wenn ich den Kern mit einer Flussspitze von ± 1,8 T bei 50 Hz betreibe, erzeugt er eine Spitze von etwa 170 mV pro Umdrehung. Eine 12-Veff-Wicklung würde also 100 Windungen benötigen, die 240-V-Netzwicklung 2000. Ich könnte mehr Windungen als diese verwenden, aber weniger Windungen würden den Kern in die Sättigung drücken.

Wenn ich einen Kern mit der Querschnittsfläche einer Eisenbahnschwelle von 130 mm x 250 mm verwenden würde, könnte ich 12 Veff in einer einzigen Umdrehung erhalten, aber auch einen ziemlich unhandlichen Transformator.

— Neil_UK
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Es kann nützlich sein, darauf hinzuweisen, dass ein "Eisenbahnschwellenfahrer", wie man ihn in den USA nennt, als "Krawatte" bezeichnet wird. Als ich den Begriff zum ersten Mal sah, bevor ich die Maße las, dachte ich, der Autor beziehe sich auf eine Kutsche im Pullman-Stil.

— Supercat

Könnten Sie bitte einen numerischen Verweis darauf geben, woher Sie diese Zahlen beziehen? Ich habe mich im Internet ein bisschen umgesehen und über die N1 / N2-Grundformel und einige "magische Zahlen" -Formeln hinaus habe ich Probleme, eine zusammenhängende Antwort zu finden, die beide beschreibt, warum man sich um die Anzahl der Windungen, die Frequenz und den Kern kümmert Größe eines Transformators. Ich würde es begrüßen, wenn Sie auch einfach ein Referenzdokument mit diesen Informationen hätten - mit all diesen (falschen) Informationen, die sich überall ausbreiten, fürchte ich, ich müsste möglicherweise nur ein Lehrbuch lesen, um einen einfachen Transformator zu entwerfen.

— Heckenschweine

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@inkyvoyd 25mmx13mm wird von meinem Kern mit Bremssätteln gemessen, 1,8T für Spitzenfluss stammen aus Datenblättern für Transformatoreisen. Die Transformation zwischen Fluss, Fläche, Frequenz und Spannung ergibt sich aus dem Faradayschen Gesetz. Sie können ein Beispiel dafür in Aktion in einer anderen meiner Antworten hier sehen

— Neil_UK

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Ihre Grundannahme ist falsch, daher kann die Frage nicht wirklich beantwortet werden.

Transformatoren gibt es in vielen verschiedenen Spannungs- und Stromstärken für ihre Ein- und Ausgänge. Einige verwenden viele dünne Drahtwindungen (hohe Spannung, niedriger Strom). Einige verwenden nur wenige Windungen dicken Drahtes (niedrige Spannung, hoher Strom).

Die Antwort auf "Warum tun sie das nicht ..." lautet "Sie tun das" (wenn es angebracht ist).

An diejenigen, die diese Antwort nicht mögen

Ich sehe, dass diese Antwort eine Reihe von Abwertungen und ungefähr die gleiche Anzahl von Aufwertungen erhalten hat. Offensichtlich ist es umstritten. Einige sehen es als minderwertig an, besonders nachdem andere in Kommentaren über die wahre Bedeutung des OP spekuliert haben.

Ungeachtet dessen, was andere glauben, dass das OP bedeutete, ging er von einer offensichtlich falschen Prämisse aus, nämlich dass Transformatoren sowohl auf Primär- als auch auf Sekundärseite Hunderte von Windungen aufweisen und dass immer "dünner" Kupferdraht verwendet wird. Es klingt dann wie eine dieser rhetorischen Fragen "Warum macht es nicht jeder auf andere offensichtliche Weise?" .

Das habe ich geantwortet. Es ist die richtige Antwort auf die oben interpretierte Frage. Vielleicht wollte das OP das nicht fragen. Vielleicht ist es. Beachten Sie, dass das OP nicht zurückgekehrt ist, um die Frage zu klären oder zu bearbeiten.

Eine viel bessere Frage wäre gewesen, wie sich weniger Windungen dicken Drahts gegen mehr Windungen dünnen Drahts austauschen lassen. Das, das respektvoll gefragt wurde, ohne zuerst ein Urteil zu fällen oder falsche Prämissen vorauszusetzen, hätte eine ganz andere Antwort erhalten. Aber auch das wurde jetzt tatsächlich gefragt, und nicht einmal, wie es scheint, war das OP gemeint.

Selbst wenn das OP zurückkommt und die Frage ändert, möchte ich diese Antwort als Erinnerung daran dienen, Fragen richtig und eindeutig zu stellen und nicht mit der Angabe falscher Annahmen als Tatsachen zu beginnen.

— Olin Lathrop
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Kennzeichnen Sie Antworten nicht als qualitativ minderwertig, es sei denn, es handelt sich um Spam oder keine Antwort. Wenn Sie es nicht mögen, dann stimmen Sie es ab.

— Voltage Spike

@ laptop2d: An wen ist das gerichtet?

— Dave Tweed

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@ laptop2d nein, dafür ist das Flag "keine Antwort" gedacht. Dies ist der Inbegriff von geringer Qualität.

— Passant

@laptop2d auch platziert das System automatisch hochgestimmte Antworten in diese Warteschlange. Sie müssen die Anleitung zu geringer Qualität unbedingt erneut lesen, bevor Sie solche Aussagen treffen.

— Passant

@Passe und andere. Siehe auch Antwort. Dies beantwortet was gefragt wurde . Wir sind uns zwar nicht einig über die Interpretation dieser mehrdeutigen Frage, aber dies ist eine gültige Antwort auf eine Interpretation, die nicht ausgeschlossen werden kann.

— Olin Lathrop